Innovazioni nei processi di produzione: un “momento privilegiato” per il titanio?

Impianto pilota IperionX per il titanio a Salt Lake City, Utah, costruito con i finanziamenti del programma ARPA-E del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Tengo sempre gli occhi aperti per le principali innovazioni dei processi di produzione perché possono essere altamente dirompenti per le aziende dominanti. Spesso cambiano l’economia consentendo metodi di produzione su scala ridotta o meno costosi, magari utilizzando meno energia o producendo meno sottoprodotti indesiderati. L’altro motivo per cui le innovazioni di processo possono essere particolarmente interessanti è perché i produttori storici sono solitamente lenti nell’adottare i nuovi processi, spesso perché dispongono di attrezzature di produzione esistenti che potrebbero non essere ancora completamente ammortizzate. Oppure potrebbero essere completamente ammortizzati e il costo marginale del loro utilizzo sarebbe quindi molto basso. Ciò lascia il campo aperto ai nuovi arrivati ​​che causano loro dolore e sofferenza, perché i nuovi arrivati ​​non hanno risorse esistenti da proteggere che potrebbero offuscare il loro giudizio. Sta per accadere questo nella produzione del metallo strategico titanio?

Recentemente ho avuto l'opportunità di parlare con Anastasios "Taso" Arima, fondatore e CEO della start-up del titanio IperionX, che sta ampliando un nuovo processo di produzione. Arima ha aperto la nostra discussione raccontando un esempio dell'importanza delle innovazioni di processo. Ha spiegato che l’acciaio esiste da 3.000 anni, ma fino al 1856 era un prodotto di nicchia perché era molto costoso da produrre. Di solito, erano gli eserciti di tutto il mondo che potevano permettersi di usarlo per realizzare spade e armature, sebbene le persone lo usassero anche per utensili da taglio come coltelli, asce e seghe. Nel XVIII e all'inizio del XIX secolo, l'invenzione delle fornaci rese l'Inghilterra la capitale mondiale dell'acciaio, anche se in modo ad alta intensità di manodopera ed energia. Nel 1854 Henry Bessemer, che stava lavorando per esigenze militari allo scoppio della guerra di Crimea, scoprì che soffiando aria nel ferro fuso lo si trasformava rapidamente in acciaio. Si trattava di un processo violento, però, e Bessemer risolse il problema facendolo funzionare all'interno di una pentola cilindrica d'acciaio che chiamò convertitore. Ciò ha portato ad un aumento di sette volte della produttività, riducendo drasticamente il costo dell’acciaio. Ma fu in America che il vero incremento avvenne quando la costruzione della ferrovia dopo la fine della Guerra Civile causò un boom della domanda di acciaio. Tra il 1864 e il 1876, negli Stati Uniti furono costruite 13 fabbriche di processo Bessemer mentre la produzione americana di acciaio si espandeva di 87 volte. E man mano che il prezzo dell’acciaio diminuiva, questo meraviglioso materiale divenne molto più diffuso.

Il processo Bessemer Steel: svuotamento di un convertitore. Illustrazione dall'Archivio Bettmann.

Avevo chiamato Taso per parlare della loro innovazione di processo per la produzione del titanio. Si tratta di un nuovo metodo che utilizza idrogeno al posto del carbonio: la riduzione metallotermica assistita da idrogeno (HAMR). HAMR promette di essere sia rispettoso dell'ambiente che di costo molto più basso, quello che Arima chiama il "momento Bessemer" del titanio. Il processo è stato sviluppato dal metallurgista e professore di ingegneria metallurgica presso l'Università dello Utah, Dr. Z. Zak Fang, sotto il patrocinio del programma ARPA-E del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la loro versione della DARPA. "Il nostro impianto pilota produce sei tonnellate all'anno", ha spiegato Arima parlando del suo impianto prototipo nello Utah. "Ma quel forno è vecchio e non dispone di raffreddamento attivo. Per quelli nuovi non stiamo solo cercando di triplicare la capacità, ma ridurremo anche il tempo di ciclo da tre giorni a un giorno." Il nuovo forno produrrà 125 tonnellate all’anno e la strategia di ridimensionamento sarà semplicemente quella di aggiungere forni in parallelo. Questa facile scalabilità è importante perché l’azienda può aggiungere capacità quando richiesto dalla domanda, piuttosto che investire per costruire un’enorme fabbrica e poi dover trovare clienti per mantenerla in funzione.

Come ho scritto di recente dopo che la Russia (da dove ottenevamo molto titanio) ha invaso l’Ucraina, il titanio è un metallo piuttosto unico. Esso e le sue leghe sono leggeri, altamente resistenti alla corrosione, possono resistere alle alte temperature e hanno un rapporto molto elevato tra resistenza e peso. Ciò lo rende molto popolare nel settore aerospaziale, ma generalmente è troppo costoso per essere utilizzato nei prodotti di consumo. Il motivo per cui la produzione convenzionale è costosa è perché utilizza il processo Kroll per convertire prima i minerali di titanio utilizzando coke (dal carbone metallurgico) e cloro in tetracloruro di titanio (TiCl4). Il TiCl4 deve quindi essere distillato sotto vuoto per purificarlo e il vapore viene immesso in un recipiente di reazione contenente magnesio fuso ricoperto di gas argon inerte e riscaldato a 800 - 1000ºC per circa due giorni. Si ottiene così una spugna di titanio che deve essere frantumata per rimuovere i sali di magnesio. Il processo HAMR, al contrario, utilizza metà dell’energia, riduce le emissioni di oltre il 30% (e potenzialmente azzerandole se si utilizza energia rinnovabile) per alimentare i forni. Riduce sostanzialmente il costo di produzione del titanio. La maggior parte dei risparmi deriva dall’eliminazione sia della fase di clorazione che della distillazione sotto vuoto.