Čištění výroby kritických minerálů a materiálů pomocí mikrovlnné plazmy

Snaha vrátit výrobu zpět do USA naráží na neblahou pravdu: Procesy výroby mnoha kritických materiálů dnes vytvářejí toxické vedlejší produkty a další environmentální rizika. To platí jak pro běžně používané průmyslové kovy, jako je nikl a titan, tak i pro speciální minerály, materiály a povlaky, které se používají v bateriích, pokročilé elektronice a obranných aplikacích.

Nyní společnost 6K, kterou založil bývalý výzkumný vědec MIT Kamal Hadidi, využívá nový výrobní proces k návratu výroby kritických materiálů do Ameriky bez toxických vedlejších produktů. Kritické materiály jsou pro ekonomiku a národní bezpečnost USA klíčové.

Společnost aktivně rozšiřuje svou technologii mikrovlnné plazmy, kterou nazývá UniMelt, a transformuje tak způsob zpracování kritických minerálů a vytváří nové domácí dodavatelské řetězce. UniMelt využívá paprsky přesně řízené tepelné plazmy k tavení nebo odpařování výchozích materiálů na částice s přesnými rozměry a krystalickými fázemi.

Technologie převádí kovy, jako je titan, nikl a žáruvzdorné slitiny, na částice optimalizované pro aditivní výrobu pro celou řadu průmyslových aplikací. Používá se také k výrobě bateriových materiálů pro elektromobily, infrastrukturu sítě a datová centra.

„Trhy a kritické materiály, na které se zaměřujeme, jsou důležité nejen z ekonomických důvodů, ale i z hlediska národní bezpečnosti USA, protože většina těchto materiálů se dnes vyrábí v nepřátelských zemích,“ říká generální ředitel společnosti 6K Saurabh Ullal. „Nyní může [americká vláda] a naše rostoucí zákaznická základna využít tuto technologii vynalezenou na MIT k tomu, aby USA byly méně závislé na těchto nepřátelských zemích a zajistily nezávislost dodavatelských řetězců nyní i v budoucnu.“

Společnost 6K, pojmenovaná podle teploty své plazmy 6 000 stupňů, v současné době prodává své vysoce výkonné kovové prášky výrobcům součástek, ale i obranným, automobilovým, lékařským a ropným a plynárenským společnostem pro použití v aplikacích od komponent motorů a lékařských implantátů až po rakety. Pro rozšíření svého podnikání v oblasti bateriových materiálů 6K také staví výrobní závod o rozloze 100 000 čtverečních stop v Jacksonu v Tennessee, jehož výstavba začne později v letošním roce.

Víkendový projekt

V letech 1994 až 2007 pracoval Hadidi v Centru pro plazmovou vědu a fúzi (PFSC), kde vyvíjel plazmové technologie pro celou řadu aplikací, včetně výroby vodíku, reformingu paliva a detekce environmentálních toxinů. Jeho první společnost byla založena v roce 2000 na základě PFSC za účelem detekce rtuti v komínech uhelných elektráren.

„Rád jsem pracoval na MIT,“ říká Hadidi. „Je to úžasné místo, které vás skutečně nutí k úsilí. Pouhá přítomnost tam je tak stimulující, protože se všichni snaží vymýšlet nová řešení a propojovat různé oblasti.“

Hadidi také začal používat vysokofrekvenční mikrovlnnou plazmu k výrobě nanomateriálů pro použití v optických aplikacích. Nebyl expertem na materiály, takže spolupracoval s profesorem Eric Jordánem, expertem na syntézu materiálů z University of Connecticut, a výzkumníci začali pracovat v noci a o víkendech v PSFC, aby dále rozvíjeli tento nápad, a nakonec si technologii nechali patentovat.

Hadidi oficiálně založil společnost jako Amastan v roce 2007 a zkoumal využití své mikrovlnné plazmové technologie, později pojmenované UniMelt („uniform melt state process“), k výrobě řady různých materiálů v rámci vládního grantu, který obdržel s Jordánem.

Výzkumníci si brzy uvědomili, že mikrovlnná plazmová technologie má oproti tradičním výrobním technikám pro určité materiály řadu výhod. Za prvé, mohla eliminovat několik energeticky náročných kroků konvenčních procesů, čímž se zkrátila doba výroby v některých případech z dnů na hodiny. U baterií a některých kritických minerálů proces také pracuje s recyklovanými surovinami. Amastan byla v roce 2019 přejmenována na 6K.

V rané fázi Hadidi vyráběl kovové prášky používané v aditivní výrobě procesem zvaným sférizace, který vede k hustým, kulovým práškům, které dobře tečou a vytvářejí vysoce výkonné 3D tištěné díly.

Po dalším grantu Hadidi zkoumal metody výroby typu katody baterie vyrobené z lithia, niklu, manganu a kobaltu (NMC). Standardní proces výroby NMC zahrnoval chemickou syntézu, srážení, tepelné zpracování a velké množství vody. 6K je schopna snížit mnoho z těchto kroků, čímž zrychluje výrobu a snižuje náklady a zároveň je šetrnější k životnímu prostředí.

„Naše technologie zcela eliminuje toxický odpad a recykluje všechny vedlejší produkty zpět do procesu, aby se využilo vše, včetně vody,“ říká Ullal.

Rozšiřování domácí výroby

Dnes se divize aditivní výroby společnosti 6K nachází v továrně v Pensylvánii. Systémy společnosti pro zpracování, rafinaci a recyklaci kritických minerálů dokáží vyrobit přibližně 400 tun materiálu ročně a lze je použít k výrobě více než tuctu typů kovových prášků. Společnost má také bateriové centrum o rozloze 33 000 čtverečních stop v North Andover v Massachusetts, kde vyrábí katodové materiály baterií pro své zákazníky v oblasti skladování energie a mobility.

Závod v Tennessee bude sloužit k výrobě katodových materiálů baterií a představuje masivní zvýšení propustnosti. Společnost uvádí, že po dokončení výstavby v příštím roce bude schopna vyrobit 13 000 tun materiálu ročně.

„Jsem šťastný, pokud to, co jsem začal, přinese společnosti něco pozitivního, a jsem nesmírně vděčný všem lidem, kteří mi pomohli,“ říká Hadidi, který společnost opustil v roce 2019. „Jsem podnikatel v jádru. Rád věci vyrábím. Ale to neznamená, že vždy uspěji. Je osobně velmi uspokojující vidět, jak to má dopad.“

Tým 6K říká, že jeho technologie může také vytvářet různé speciální keramické materiály, pokročilé povlaky a nanostrukturované materiály. Říkají, že se může také použít k odstranění PFAS, neboli „věčných chemikálií“, i když tato práce je ve velmi rané fázi.

Společnost nedávno obdržela grant na demonstraci procesu recyklace kritických materiálů z vojenských skladů za účelem výroby leteckých a obranných výrobků, čímž se vytváří nový tok hodnoty pro tyto materiály, které by jinak degradovaly nebo skončily na skládce. Tato práce je v souladu s mottem společnosti: „Neodebíráme nic ze země a nic do země nevkládáme.“

Divize aditivní výroby společnosti nedávno obdržela grant ve výši 23,4 milionů dolarů z zákona o obranné výrobě, „který nám umožní v příštích třech letech zdvojnásobit výrobní kapacitu,“ říká Ullal. „Dalším krokem je rozšíření výroby bateriových materiálů na desítky tisíc tun ročně. V tomto bodě se jedná o rozšíření známých procesů a my jen musíme provést provedení. Myšlenka vytvoření oběhového hospodářství je nám velmi blízká, protože tak jsme vybudovali tuto společnost a tak vytváříme hodnotu: řešením našich obav o národní bezpečnost USA a ochranou planety.“