一塊巨大的深灰色圓盤占據(jù)了波士頓金屬實驗室（Boston Metal）公司的部分空間，該公司是麻省理工學(xué)院（MIT）的一個分支機構(gòu)。
這是該公司采用新型金屬加工方法加工的第一批高強度合金。Boston Metal已開發(fā)出一種更接近電池的產(chǎn)品，取代了幾個世紀(jì)以來用于煉鋼的熔爐。其實這就是所謂的電解槽，它使用電力而不是碳來加工原鐵礦石。
如果這項技術(shù)在規(guī)模化之后能像其發(fā)明者所期望得的那樣便宜，那么它將為減少全球經(jīng)濟中最難以清潔的領(lǐng)域之一、也是氣候污染的最大工業(yè)來源之一——鋼鐵行業(yè)的溫室氣體減排提供一條清晰的路徑。
過去6年里，這家擁有9名員工的公司一直在努力實現(xiàn)這一想法，如今他們正進入下一個階段：即將發(fā)起一輪融資來啟動這個大型示范項目。如果可以獲得新一輪融資，他們計劃建立一個大型示范工廠，并開發(fā)一個用于鋼鐵生產(chǎn)的工業(yè)規(guī)模電池槽。
減排，勢不可擋
現(xiàn)代煉鋼的主要方法是將氧化鐵與焦炭（是一種來自煤中的堅硬多孔的物質(zhì)）一起放入熔爐。在高溫下，焦炭會轉(zhuǎn)化成一氧化碳，并從鐵中吸收氧元素，產(chǎn)生一種中間金屬，即“生鐵”，與此同時還會釋放出二氧化碳進入大氣。
最近美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇名為“我們還不知道該如何削減超過四分之一的能源排放”的論文指出，上述過程中的這一步驟和其他步驟每年約向大氣中排放1.7億噸的二氧化碳，占全球二氧化碳排放總量的5%左右。盡管這些數(shù)據(jù)驚人，但實際數(shù)據(jù)可能更高，因為這一結(jié)論并沒有將生產(chǎn)前點燃熔爐所需要的燃料考慮在內(nèi)。
“汽車、建筑物和橋梁都很依賴鋼鐵，”加州大學(xué)歐文分校的地球系統(tǒng)科學(xué)家、該研究的第一作者Steven Davis表示。 “因此，除非我們改變這一點。我們需要找到一種方法減少這一過程中碳的使用。但沒有任何跡象表明我們在作出改變。”
但要徹底消除碳排放，要么就是在二氧化碳離開煉鋼廠之前將其捕獲（但這項技術(shù)既貴又難實現(xiàn)），要么就是用替代材料將氧化鐵中的氧元素去除。
意外收獲
其實，電解槽煉鋼技術(shù)的提出是一次意外收獲。
在本世紀(jì)頭十年的中期，美國宇航局（NASA）曾向能弄清如何從月球表面提取氧氣（這是建立月球基地的先決條件）的第一個研究小組提供了25萬美元的獎金。麻省理工學(xué)院化學(xué)家Donald Sadoway提議使用一種電解槽——它可以產(chǎn)生電流來分解化合物——從月球巖石中提取氧氣。其副產(chǎn)品是熔融金屬，這一思路也促使他開始探索用類似的方法處理地球上的金屬的可能性。
但是生產(chǎn)像鋼鐵這樣的東西需要一種由廉價材料制成的陽極，這種材料在高溫下不會腐蝕，也不容易與氧化鐵發(fā)生反應(yīng)。2013年，Sadoway和麻省理工學(xué)院冶金研究員Antoine Allanore在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中得出結(jié)論，由鉻基合金制成的陽極可能是符合上述要求的最佳選擇。
2017年，Sadoway、Allanore和另一位合伙人共同創(chuàng)辦了一家名為Boston Electrometallurgical的初創(chuàng)企業(yè)，后來就發(fā)展成為Boston Metal。截至目前，該公司已籌集了1300萬美元，這些資金主要來自巴西投資者Ingo Wender、美國能源部和美國國家科學(xué)基金會。
猶豫不決地改變
在Boston Metal里，有一個電解槽格外顯眼。這是一個矮胖的金屬圓柱體，其頂部有一個煙囪狀的管子，前面有一個環(huán)形的開口。這一電解槽旨在生產(chǎn)鐵合金，這是一種用于生產(chǎn)某些級別鋼材的材料，也是這家初創(chuàng)企業(yè)最初的目標(biāo)市場。
實際上，煙囪狀的管子是一個陽極。沿著底部的一層薄金屬形成陰極。這些正電極和負(fù)電極在一起能起到一種泵的作用，推動電子通過腔室中的電解液——金屬礦物和其他氧化物的混合物。
電解液中的精確成分是該公司核心技術(shù)的關(guān)鍵部分。就鋼而言，其他氧化物在高溫下充當(dāng)溶劑溶解氧化鐵，但其自身并不會分解。
當(dāng)電流加熱溶解液的時候，從鐵氣泡中釋放出來的氧氣會上升到溶解液的頂部，而由此產(chǎn)生的金屬則會在溶解液的底部積聚起來。一旦操作者“輕敲”，熔化的金屬就會以熾熱的橘紅色線條傾瀉而出。
在煉鋼過程中使用碳的一個好處在于，它可以賦予最終產(chǎn)品以足夠的強度，至少在其比例合適的情況下是這樣。該公司戰(zhàn)略總監(jiān)Adam Rauwerdink曾在一封電子郵件中寫道，為了生產(chǎn)特定級別的鋼材，只要在金屬冷卻時加入碳和其他材料即可。
但有些人想知道，對于以保守著稱的鋼鐵行業(yè)而言，這究竟有多大的說服力。畢竟，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的材料是需要支撐起摩天大樓的。“鋼鐵本身的機械性能在某種程度上需要碳，”加州理工學(xué)院化學(xué)家Nathan Lewis在一封電子郵件中解釋道。“可以理解的是，鋼鐵行業(yè)對改變這一過程是猶豫不決的。”
曾領(lǐng)導(dǎo)全球最大的鈮產(chǎn)品生產(chǎn)商——巴西礦冶公司（CBMM）的Tadeu Carneiro如今來到Boston Metal擔(dān)任首席執(zhí)行官。他對未來已有了新的設(shè)想，接下來的三年計劃建立一個生產(chǎn)鐵合金的示范工廠，與此同時，還將開始設(shè)計和建造一個適用于生產(chǎn)鋼鐵的全尺寸電池槽。
Carneiro希望在7年內(nèi)實現(xiàn)這些設(shè)想。這樣，公司就可能會尋求更多的商業(yè)模式，包括許可技術(shù)、與金屬制造商合作、銷售電池槽或直接生產(chǎn)金屬。
當(dāng)然，直到產(chǎn)品真正在商業(yè)規(guī)模上進行生產(chǎn)和測試之前，現(xiàn)在就說它究竟能起多大的作用還為時尚早。而且，僅僅以相同的價格制造一個綠色版本的產(chǎn)品并不足以改變整個行業(yè)，畢竟，鋼鐵廠投入數(shù)十億美元的沉沒成本是希望其可以運行幾十年的。此外，一個不容忽視的事實是，鋼鐵行業(yè)主要分布在那些相對貧窮或經(jīng)濟困難的國家。
道阻且長，行則將至。雖然困難重重，但Carneiro相信公司會克服諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，用實力去證明這項技術(shù)的實用性與經(jīng)濟性，最終說服整個行業(yè)作出改變。
顯然，改造價值近1萬億美元的鋼鐵行業(yè)不可能一蹴而就，這將是一個漫長的過程。但是如果這家初創(chuàng)企業(yè)的嘗試與努力最終得到驗證，那么其至少能為解決氣候難題中最困難的部分點燃一些希望的“火苗”。■