Labortests: KI macht Schrott-Verunreinigungen zu stärkerem Eisen

Weltweit werden jährlich rund 2 Milliarden Tonnen Metall produziert, und ein großer Teil dieser Produktion beruht nach wie vor auf Primärrohstoffen. Ein internationales Team hat nun gezeigt, dass die Verunreinigungen, die recycelten Schrott unbrauchbar machen, als Zutaten genutzt statt entfernt werden können. In Laborversuchen an Sphäroguss erreichten die daraus entstandenen Legierungen je nach konstant gehaltener Eigenschaft bis zu 15,2 % mehr Zugfestigkeit oder bis zu 73,2 % mehr Bruchdehnung.

Das Problem, dem sich die Forscher widmeten, ist alt. Metallschrott schwankt stark in seiner chemischen Zusammensetzung und enthält oft unerwünschte Elemente, und diese Schwankungen können die mechanischen Eigenschaften recycelter Legierungen beeinträchtigen. Die übliche Lösung besteht darin, die Verunreinigungen durch Zugabe von Primärmaterial zu verdünnen. Das funktioniert, schwächt aber die Argumente für das Recycling: Die Herstellung von Primärmetall benötigt große Mengen Energie und verursacht erhebliche CO₂-Emissionen. Die Primärproduktion wird für 40 % der industriellen Treibhausgasemissionen und 10 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich gemacht. Deshalb sehen die Autoren in besserem Recycling einen Hebel sowohl für die Emissionen als auch für die Abhängigkeit von importierten Rohstoffen.

Die Methode ist eine Machine-Learning-Schleife. Dr. Han zufolge wollte das Team erreichen, „diese Verunreinigungen von einem Problem in einen Vorteil zu verwandeln“. Ausgehend von bestehenden Legierungsrezepturen erzeugt ein Baumsuchalgorithmus neue Kandidaten, indem er Zusammensetzung und Prozessparameter wie Temperatur und Dauer variiert. Neuronale Netzmodelle sagen für jeden Kandidaten Zugfestigkeit und Bruchdehnung voraus, und die Suche wägt ab zwischen der Verfeinerung vielversprechender Rezepturen und der Erkundung weniger getesteter Bereiche. Ein zweites Modell, das auf einem größeren Datensatz zu Zusammensetzung und Eigenschaften trainiert wurde, prüft die engere Auswahl, bevor die ausgewählten Rezepturen gegossen und getestet werden. Die neuen Ergebnisse fließen in die Datenbank zurück, und die nächste Runde beginnt darauf aufbauend.

Als Testfall diente Sphäroguss, ein Werkstoff, der für seine Toleranz gegenüber Verunreinigungen bekannt ist. Das Team fertigte und prüfte 17 vom Verfahren vorgeschlagene Rezepturen. 14 davon gehörten im bestehenden Datensatz zu recyceltem Eisen zu den besten Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität. Im Vergleich mit diesem Referenzwert betrugen die Gewinne bis zu 15,2 % bei der Zugfestigkeit und vergleichbarer Dehnung bzw. bis zu 73,2 % bei der Bruchdehnung und vergleichbarer Zugfestigkeit. Die Herstellungskosten lagen 8,1 % niedriger als beim konventionellen Verfahren. Die Autoren berichten außerdem, dass Legierungen, die vollständig aus Schrott hergestellt werden, Werkstoffe aus Primärsynthese übertreffen können, und zwar bei geringerer Umweltbelastung.

Für Hersteller, die Schrott kaufen und einschmelzen, bedeutet das günstigere Legierungen, die nicht mit Primärmetall verdünnt werden müssen. Für die Wirtschaft insgesamt eröffnet sich ein Weg zu recycelten Stählen sowie Aluminium- und Kupferlegierungen für Verkehr, Energie und Industrie, da die Autoren das Verfahren über Sphäroguss hinaus für erweiterbar halten. Die Studie nennt weder einen Zeitplan noch einen Industriepartner. Der nächste Schritt, den die Autoren beschreiben, ist ein autonomeres System, in dem spezialisierte KI-Agenten Konstruktion, Versuchsplanung und Prozesssteuerung koordinieren. Sie bezeichnen diese Richtung als vielversprechend, berichten aber nicht, dass sie bereits umgesetzt wurde. Bis dahin bleiben die Zahlen Ergebnisse einer Laborkampagne, und ob sie sich im Gießereimaßstab reproduzieren lassen, steht noch aus.