Un nuovo modo di produrre acciaio potrebbe ridurre del 5% le emissioni di CO2 in un colpo solo

Per gentile concessione di Boston Metal

Un disco grumoso di acciaio grigio scuro copre una panchina nello spazio laboratorio di Boston Metal, uno spinout del MIT situato a mezz'ora a nord della sua omonima città.

È il primo lotto dell'azienda della lega ad alta resistenza, creato utilizzando un nuovo approccio alla lavorazione dei metalli. Invece dell'altoforno impiegato da secoli nella produzione dell'acciaio, Boston Metal ha sviluppato qualcosa di più simile a una batteria. In particolare, è ciò che è noto come una cella elettrolitica, che utilizza l'elettricità, anziché il carbonio, per elaborare il minerale di ferro grezzo.

Se la tecnologia funzionasse su larga scala a buon mercato come sperano i fondatori, potrebbe offrire un percorso chiaro per ridurre le emissioni di gas serra da uno dei settori più difficili da pulire dell'economia globale e la più grande fonte industriale di inquinamento climatico.

Dopo aver lavorato sull'idea negli ultimi sei anni, l'azienda di nove persone sta passando alla fase successiva. Se chiude un round di finanziamento in sospeso, la startup prevede di costruire una grande struttura dimostrativa e sviluppare una cella su scala industriale per la produzione di acciaio.

Taglio del carbonio

Nell'approccio principale alla produzione dell'acciaio oggi, l'ossido di ferro viene immesso in un altoforno con coke, una sostanza dura e porosa derivata dal carbone. A temperature elevate, il coke si trasforma in monossido di carbonio, che sottrae ossigeno al ferro, producendo un metallo intermedio noto come ghisa, insieme all'anidride carbonica che si diffonde nell'atmosfera.

Questo e altri passaggi del processo pompano circa 1,7 gigatonnellate di anidride carbonica nell'atmosfera all'anno, aggiungendo fino a circa il 5% delle emissioni globali di anidride carbonica, secondo un recente documento in Scienza (vedi Non abbiamo ancora idea di come eliminare più di un quarto delle emissioni di energia). E questo prima di prendere in considerazione i combustibili necessari per accendere i forni.

Auto, edifici e ponti dipendono abbastanza bene dall'avere l'acciaio, afferma Steven Davis, autore principale di quello studio e scienziato del sistema terrestre presso l'Università della California, a Irvine. Quindi, a meno che non lo cambiamo, e non c'è alcun segno che lo siamo, dobbiamo trovare un modo per decarbonizzare il processo.

Ma l'eliminazione completa delle emissioni richiederà una tecnologia in grado di catturare l'anidride carbonica prima che lasci l'acciaieria, che è sia costosa che tecnicamente ingombrante, o l'uso di materiali alternativi per rimuovere l'ossigeno dall'ossido di ferro.

Colpo di luna

Donald Sadoway, un chimico del MIT, ha iniziato a lavorare inavvertitamente su una soluzione a metà degli anni 2000.

La NASA aveva offerto un premio di un quarto di milione di dollari al primo gruppo di ricerca in grado di capire come estrarre l'ossigeno dalla superficie della luna, una condizione preliminare per stabilire basi lunari. Sadoway ha proposto di utilizzare una cella elettrolitica, che produce una corrente elettrica per scomporre i composti, per estrarre ossigeno dalle rocce lunari. Il sottoprodotto era il metallo fuso, una realizzazione che lo ha portato a esplorare la possibilità di utilizzare un approccio simile per elaborare i metalli sulla Terra.

Ma produrre qualcosa come l'acciaio richiederebbe un anodo realizzato con materiali economici che non si corroderebbero alle alte temperature o non reagirebbero prontamente con l'ossido di ferro. Nel 2013, Sadoway e il ricercatore metallurgico del MIT Antoine Allanore hanno pubblicato a carta in Natura concludendo che gli anodi realizzati con leghe a base di cromo potrebbero spuntare tutte quelle caselle.

L'anno precedente, Sadoway, Allanore e un altro compagno aveva cofondato una startup nota come Boston Electrometallurgical, che sarebbe diventata Boston Metal.

La società ha raccolto fino ad oggi 13 milioni di dollari, principalmente dall'investitore brasiliano Ingo Wender, dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation. L'azienda ha rifiutato di rivelare la fonte di un investimento in sospeso fino al completamento della transazione.

Un'industria esitante

Una delle sue celle elettrolitiche si trova nella stanza sul retro del Boston Metal. È un tozzo cilindro di metallo, con un tubo simile a un camino che emerge dalla parte superiore e un'apertura ovale nella parte anteriore. È progettato per produrre ferroleghe, un materiale ad alto margine utilizzato per produrre determinati tipi di acciaio e il mercato di riferimento iniziale della startup.

Il camino è in realtà un anodo. Un sottile strato di metallo lungo il fondo forma il catodo. Questi elettrodi positivi e negativi insieme agiscono come una sorta di pompa, spingendo gli elettroni attraverso l'elettrolita nella camera, una miscela di minerali metallici e altri ossidi.

Gli ingredienti precisi in quell'elettrolita sono una parte fondamentale della tecnologia di base dell'azienda. Nel caso dell'acciaio, gli altri ossidi agiscono come solvente alle alte temperature, sciogliendo l'ossido di ferro senza decomporsi.

Come la cella elettrolitica di Boston Metal elabora il metallo usando l'elettricità.

Quando la corrente elettrica riscalda quella zuppa, l'ossigeno si libera dalle bolle di ferro fino in cima e il metallo risultante si accumula sul fondo. Una volta che gli operatori toccano o rompono un rivestimento attraverso il foro nella parte anteriore, il metallo fuso fuoriesce in una linea arancione fiammeggiante.

Un vantaggio dell'utilizzo del carbonio nella produzione dell'acciaio è che conferisce forza al prodotto finale, almeno quando è nella giusta proporzione. Adam Rauwerdink, direttore della strategia dell'azienda, ha affermato in una e-mail che per produrre gradi specifici di acciaio, carbonio e altri ingredienti possono essere semplicemente aggiunti mentre il metallo si raffredda.

Ma alcuni si chiedono quanto sarà convincente per l'industria siderurgica notoriamente conservatrice, che dopotutto sta producendo un materiale che ha bisogno di sostenere i grattacieli.

Il carbonio è richiesto a un certo livello per le proprietà meccaniche dell'acciaio stesso, ha affermato Nathan Lewis, chimico del California Institute of Technology, in una e-mail. E comprensibilmente, l'industria è riluttante a cambiare questo processo.

Prossimi passi

L'anno scorso, Tadeu Carneiro è entrato a far parte di Boston Metal come amministratore delegato. In precedenza ha guidato con sede in Brasile CBMM , il più grande produttore di niobio, un metallo utilizzato nelle leghe superconduttrici.

Carneiro, che indossa un paio di occhiali scuri e pesanti sopra una serie di sopracciglia scure e pesanti, scarabocchi equazioni chimiche su una lavagna mentre descrive la strategia aziendale dell'azienda con un accento brasiliano. Il piano triennale prevede la costruzione di una struttura dimostrativa per la produzione di ferroleghe, afferma. Nel frattempo, l'azienda inizierà anche a progettare e progettare una cella su vasta scala per la produzione di acciaio, un traguardo che spera di raggiungere entro sette anni.

Se Boston Metal raggiunge questi parametri di riferimento, potrebbe perseguire una serie di modelli di business, tra cui la licenza della tecnologia, la collaborazione con produttori di metalli, la vendita di celle o la produzione diretta di metalli.

Ma come sempre nella scienza, fino a quando il prodotto non sarà effettivamente costruito e testato su scala commerciale, è troppo presto per dire quanto bene o in modo conveniente funzionerà davvero. Inoltre, la semplice produzione di una versione ecologica di un prodotto all'incirca allo stesso prezzo non sarà sufficiente per trasformare il settore, dati i miliardi di dollari di costi irrecuperabili nelle acciaierie che possono funzionare per decenni e il fatto che gran parte di questo settore ha sede in nazioni relativamente povere o in difficoltà finanziarie.

Una barra di metallo prodotta dall'elettrolisi dell'ossido fuso, o processo MOE, dell'azienda. Per gentile concessione di Boston Metal

Anche se la tecnologia perfetta entrasse in scena oggi, probabilmente passerebbero diversi decenni prima che potessimo effettivamente passare ad essa, dice Davis.

Carneiro riconosce che l'azienda deve ancora superare una serie di sfide tecniche rimanenti, incluso il miglioramento dell'efficienza faradaica, il che significa aumentare la percentuale di elettroni che effettivamente producono metallo; migliorare l'efficienza termica o ridurre i kilowattora di elettricità necessari per produrre un determinato volume di metallo; e aumentare un anodo in lega di cromo che è stato dimostrato solo a livello di laboratorio fino ad oggi.

È fiducioso, tuttavia, che Boston Metal risolverà queste sfide, dimostrerà che la tecnologia è più economica e alla fine convincerà l'industria ad adottare il suo approccio.

Trasformare il settore siderurgico di quasi 1 trilione di dollari è ancora una scommessa lunga. Ma se la startup può dimostrare che il suo processo funziona su scala industriale, potrebbe almeno fornire una piccola speranza per risolvere una delle parti più difficili del puzzle climatico.

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