Kann überarbeitetes Aluminium dazu beitragen, die Nachfrage nach Kupfer zu decken?

Gregory Barber

Denken Sie für einen Moment an das elektrische Kabel, eine allgegenwärtige Technologie, die man sehr leicht vergisst. Millionen Tonnen dünner Metallfäden sind in unseren Geräten aufgerollt, um unsere Wände gewickelt und entlang unserer Straßen aufgereiht und sorgen dafür, dass sie die Welt elektrisieren. Aber ihre Arbeit ist harmlos und so naturalistisch, dass sie sich überhaupt nicht wie Technologie anfühlt. Drähte bewegen Elektronen einfach deshalb, weil Metalle genau das tun, wenn ihnen Strom zugeführt wird: Sie leiten.

Aber es gibt immer Raum für Verbesserungen. Metalle leiten Elektrizität, weil sie freie Elektronen enthalten, die nicht an bestimmte Atome gebunden sind. Je mehr Elektronen fließen und je schneller sie sich bewegen, desto besser leitet ein Metall. Um diese Leitfähigkeit zu verbessern – entscheidend für die Erhaltung der in einem Kraftwerk erzeugten oder in einer Batterie gespeicherten Energie – sind Materialwissenschaftler in der Regel auf der Suche nach perfekteren Atomanordnungen. Ihr Hauptziel ist Reinheit – die Entfernung aller Fremdkörper oder Unvollkommenheiten, die den Fluss unterbrechen. Je mehr Gold ein Brocken Gold enthält, desto besser leitet ein Kupferdraht. Alles andere stört einfach.

„Wenn Sie etwas wirklich hoch Leitfähiges wollen, müssen Sie es einfach pur machen“, sagt Keerti Kappagantula, Materialwissenschaftlerin am Pacific Northwest National Lab. Deshalb hält sie ihre eigene Forschung für eher „unkonventionell“. Ihr Ziel ist es, Metalle leitfähiger zu machen, indem sie sie weniger rein machen. Sie nimmt ein Metall wie Aluminium und fügt Zusatzstoffe wie Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren hinzu, wodurch eine Legierung entsteht. Wenn man das genau richtig macht, hat Kappagantula herausgefunden, kann das zusätzliche Material einen seltsamen Effekt haben: Es kann das Metall über seine theoretische Leitfähigkeitsgrenze hinaus drücken.

In diesem Fall geht es darum, Aluminium zu schaffen, das in Elektrogeräten mit Kupfer konkurrieren kann – ein Metall, das fast doppelt so leitfähig ist, aber auch etwa doppelt so viel kostet. Aluminium hat Vorteile: Es ist viel leichter als Kupfer. Und da es das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste ist – tausendmal häufiger als Kupfer –, ist es auch billiger und einfacher auszugraben.

Kupfer hingegen wird immer schwieriger zu beschaffen, da die Welt auf umweltfreundlichere Energie umsteigt. Obwohl es in der Verkabelung und in den Motoren schon lange allgegenwärtig ist, steigt die Nachfrage danach stark an. Ein Elektrofahrzeug verbraucht etwa viermal so viel Kupfer wie ein herkömmliches Auto, und für die elektrischen Komponenten erneuerbarer Kraftwerke und die Leitungen, die sie mit dem Stromnetz verbinden, wird noch mehr Kupfer benötigt. Analysten von Wood Mackenzie, einem auf Energie spezialisierten Forschungsunternehmen, schätzen, dass Offshore-Windparks in den nächsten zehn Jahren 5,5 Megatonnen des Metalls benötigen werden, hauptsächlich für das riesige Kabelsystem in den Generatoren und für den Transport der von den Turbinen erzeugten Elektronen an die Küste. In den letzten Jahren ist der Kupferpreis stark gestiegen, und Analysten prognostizieren einen wachsenden Mangel an Kupfer. Goldman Sachs erklärte es kürzlich zum „neuen Öl“.

Einige Unternehmen tauschen es bereits gegen Aluminium aus, wo sie können. In den letzten Jahren kam es bei den Komponenten von Klimaanlagen bis hin zu Autoteilen zu einer Verschiebung im Wert von mehreren Milliarden Dollar. In Hochspannungsleitungen werden bereits Aluminiumdrähte verwendet, da diese sowohl kostengünstig als auch leicht sind und daher über größere Entfernungen verlegt werden können. Dieses Aluminium liegt typischerweise in seiner reinsten und hochleitfähigsten Form vor.

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Aber diese Umstellung hat sich in letzter Zeit verlangsamt – zum Teil, weil der Austausch bereits für die Anwendungen durchgeführt wurde, bei denen Aluminium am sinnvollsten ist, sagt Jonathan Barnes, leitender Analyst für Kupfermärkte bei Wood Mackenzie. Für den Einsatz in einem breiteren Spektrum elektrischer Anwendungen ist die Leitfähigkeit die Hauptgrenze. Aus diesem Grund versuchen Forscher wie Kappagantula, das Metall umzugestalten.

Normalerweise entwickeln Ingenieure Legierungen, um die anderen Eigenschaften eines Metalls wie Festigkeit oder Flexibilität zu verbessern. Aber diese Zubereitungen sind weniger leitfähig als das reine Zeug. Selbst wenn ein bestimmtes Additiv besonders gut beim Transport von Elektrizität ist (was bei den kohlenstoffbasierten Materialien der Fall ist, mit denen Kappagantula arbeitet), haben die Elektronen innerhalb der Legierung typischerweise Schwierigkeiten, von einem Material zum anderen zu springen. Die Schnittstellen zwischen ihnen sind die Knackpunkte.

Es ist möglich, Schnittstellen zu entwerfen, bei denen dies nicht der Fall ist, dies muss jedoch mit Vorsicht erfolgen. Die üblichen Methoden zur Herstellung von Aluminiumlegierungen reichen nicht aus. Aluminiummetall wird seit mehr als einem Jahrhundert mit Verfahren hergestellt, die Ihnen vielleicht bekannt vorkommen, wenn Sie sich an Ihr Chemielehrbuch in der High School erinnern: das Bayer-Verfahren zur Gewinnung von Aluminiumoxid aus Bauxit (dem Sedimentgestein, in dem das Element hauptsächlich vorkommt), gefolgt von das Hall-Héroult-Verfahren, um das Material zu Aluminiummetall zu verschmelzen.

Bei diesem zweiten Prozess wird das Metall auf fast 1.000 Grad Celsius erhitzt, sodass es geschmolzen wird – ein nicht so klimafreundlicher Vorgang, der maßgeblich dafür verantwortlich ist, dass für die Herstellung von Aluminium etwa viermal so viel Energie benötigt wird wie für die Herstellung Kupfer. Und bei diesen Temperaturen ergeben sich Probleme bei der Herstellung entsprechend nuancierter Legierungen. Es ist viel zu heiß für einen Zusatzstoff wie Kohlenstoff, der seine sorgfältig entworfene Struktur verliert und sich ungleichmäßig im Metall verteilt. Die Moleküle der beiden Substanzen richten sich neu aus und bilden ein sogenanntes intermetallisches Material – ein hartes und sprödes Material, das als Isolator fungiert. Die Elektronen können nicht von einer Seite zur anderen springen.

Stattdessen wandten sich die PNNL-Forscher einem Prozess namens Festphasenfertigung zu, der eine Kombination aus Scherkräften und Reibung bei niedrigeren Temperaturen nutzt, um das neue Kohlenstoffmaterial in das Metall einzuschichten. Der Schlüssel besteht darin, dies bei einer Temperatur zu tun, die hoch genug ist, damit das Aluminium flexibel wird – in einen sogenannten „plastischen“ Zustand –, aber nicht geschmolzen. Dadurch kann Kappagantula die Verteilung der Materialien sorgfältig steuern, die dann mit Computersimulationen überprüft werden, die die atomaren Strukturen der neuen Legierungen modellieren.

Es wird ein langwieriger Prozess sein, diese Materialien aus dem Labor zu entfernen. Der erste Schritt des Teams bestand darin, Drähte aus den neuen Legierungen herzustellen – zunächst einige Zentimeter lang, dann einige Meter lang. Als nächstes werden sie Stangen und Bleche herstellen, die einer Reihe von Tests unterzogen werden können, um sicherzustellen, dass sie nicht nur leitfähiger, sondern auch stark und flexibel genug sind, um für industrielle Zwecke nützlich zu sein. Wenn es diese Tests besteht, werden sie mit den Herstellern zusammenarbeiten, um größere Mengen der Legierung herzustellen.

Aber für Kappagantula ist es die Mühe wert, den zwei Jahrhunderte alten Prozess der Aluminiumherstellung neu zu erfinden. „Wir brauchen viel Kupfer und werden schnell auf Engpässe stoßen“, sagt sie. „Diese Forschung zeigt uns, dass wir auf dem wirklich richtigen Weg sind.“