„Kalziumkarbonat und Kalziumoxid sind beispielsweise wichtige Werkstoffe für die Herstellung von Metalllegierungen“, sagt Bharat Gwalani, korrespondierender Autor einer Veröffentlichung zu dieser Arbeit und Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der North Carolina State University. „Die Herstellung dieser Kalziumwerkstoffe beruht jedoch auf einem komplexen Verfahren, bei dem abgebautes Erz zum Einsatz kommt. Wir haben eine Technik demonstriert, mit der wir einen Schritt überspringen können. Anstatt Erz zu Kalziummaterialien zu verarbeiten und diese Materialien dann zur Herstellung von Metallen oder Metalllegierungen zu nutzen, haben wir gezeigt, dass man eine hochwertige Metalllegierung aus Eierschalen herstellen kann.“
Kostengünstig bei zuverlässiger Verfügbarkeit
Eierschalen bestehen zu 95 Prozent aus Kalziumkarbonat, und der Prozess, mit dem die Forscher die Eierschalen in Legierungen einarbeiten, wandelt dieses in Kalziumoxid und naszierendes Kalzium um. „Das hat viele Vorteile“, sagt Gwalani. „Es sind weniger Schritte erforderlich. Man verfügt über eine zuverlässige, nachhaltige Lieferkette. Eierschalen sind kostengünstig. Und man verbraucht weitaus weniger Energie, da man nicht den Prozess der Herstellung von Kalziumprodukten aus Erz durchlaufen muss.“
Für diese Proof-of-Concept-Arbeit nutzten die Forscher Eierschalen, um festere und härtere Magnesiumlegierungen herzustellen, deren Kombination aus Festigkeit und Gewicht sie für Anwendungen wie Elektronik und Luft- und Raumfahrttechnik geeignet macht.
„Magnesium wird mit Kalzium versetzt, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern“, sagt Gwalani. „Wir wollten herausfinden, ob wir biogenen Abfall – Eierschalen – nutzen können, um die benötigten Kalziummaterialien während des Herstellungsprozesses zu erzeugen.“
Der Herstellungsprozess: Eierschalen und Magnesium werden gemischt
Für diesen Prozess bohren die Forscher zunächst eine Reihe gleichmäßig verteilter Löcher in einen zylindrischen Magnesiumblock. Diese Löcher werden dann mit fein gemahlenen Eierschalen gefüllt. Anschließend wird dieser Block in einen Stahlzylinder eingesetzt. Anschließend wird ein Stahldorn mit einer Bohrung in der Mitte in den Zylinder abgesenkt. Der Dorn fungiert im Wesentlichen wie ein Stößel in einem Mörser: Er drückt auf den Magnesiumblock und dreht sich dabei mit 300 Umdrehungen pro Minute.
Dieses Verfahren wird als Reibungsrührstrangpressen bezeichnet. Während der Dorn nach unten drückt und sich dreht, geschehen mehrere Dinge nahezu gleichzeitig. Das Eierschalenpulver wird in das umgebende Magnesium eingemischt, wodurch Reibung zwischen den Eierschalenpartikeln und dem Metall entsteht. Durch diese Reibung wird das Kalziumkarbonat in Kalziumoxid und Kalzium umgewandelt – und es entsteht die hochfeste Legierung Mg2Ca. Schließlich drückt der nach unten gerichtete Druck des Dorns die Magnesiumlegierung durch die Bohrung heraus, wodurch ein extrudierter Stab des Endprodukts entsteht.
„Diese Arbeit zeigt, dass man hochwertige Magnesiumlegierungen unter Verwendung eines kostengünstigen, nachhaltigen, biogenen Abfallmaterials herstellen kann“, sagt Gwalani. „Dies ist ein skalierbarer, energieeffizienter und umweltverträglicher Weg, um Verbundwerkstoffe auf Magnesiumbasis aus biogenen Abfallstoffen herzustellen.
„Und wir haben bereits gezeigt, dass dieser Ansatz über Magnesium und Eierschalen hinaus Anwendungsvermögen hat“, sagt Gwalani. „Wir haben Anfang dieses Jahres demonstriert, dass man denselben Ansatz – die Reibrührstrangpressung – nutzen kann, um magnetische Verbundwerkstoffe herzustellen, indem man magnetisches Samarium-Kobalt-Pulver (SmCo5) in Aluminium-Schrott einmahlt.“
