Kohlefaser: das Wundermaterial mit einem schmutzigen Geheimnis
Kohlefaser wird zunehmend als Wundermaterial für die saubere Wirtschaft gefeiert. Seine einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit und geringem Gewicht hat dazu beigetragen, die Revolution der Windkraft voranzutreiben und Flugzeuge kraftstoffeffizienter zu machen.
Turbinenschaufeln aus Kohlefaser können länger und steifer sein als herkömmliche Modelle aus Glasfaser, wodurch sie auf See widerstandsfähiger und unter weniger luftigen Bedingungen effizienter sind.
Die Automobilhersteller erkennen auch das Potenzial des Materials, leichtere und effizientere Fahrzeuge herzustellen. McLaren hat kürzlich angekündigt, eine Fabrik in Sheffield zu eröffnen, um Kohlefaser–Sportwagen herzustellen, und der BMW i3 ist mit einer Kohlefaser-Passagiereinheit ausgestattet – dem ersten solchen Serienauto.
Aber Kohlefaser hat ein schmutziges Geheimnis: Das Hightech-Material ist verschwenderisch in der Herstellung und schwer zu recyceln.
Überschüssiger Abfall für die Deponie
Um das starke, leichte Verbundmaterial zu werden, das die Industrie liebt, wird Kohlefaser mit einem Kunststoffpolymerharz kombiniert. Aber der Herstellungsprozess, bei dem Platten aus Verbundmaterial oft von Hand ausgelegt werden, ist verschwenderisch.
Fast ein Drittel dieser Kohlefaserplatten landet nach Angaben des Recyclingunternehmens ELG Carbon Fibre in den Fabrikhallen. Wo das Material es zu Produkten macht, wird das meiste davon letztendlich auf Deponien landen, sagt die Firma.
Ein Bericht (pdf) der Umweltorganisation Green Alliance vom Februar listete Kohlefaser als eines von mehreren neuartigen Materialien auf, die in Zukunft Abfallprobleme verursachen könnten, wenn nicht rasch Maßnahmen ergriffen werden, um sie für das Recycling und die Wiederverwendung bereit zu machen.
Forscher und Startups versuchen, dieses Rätsel zu lösen. Wenn sie Kohlefaser von der Deponie ableiten können, könnten sie die Tore für die Verwendung von recycelten Kohlefasern in Autos, Fahrrädern und für Dutzende anderer Anwendungen öffnen. Sie könnten auch viel Energie sparen, da die Herstellung von Neumaterial der energieintensivste Teil des Prozesses ist.
Das Hauptproblem besteht darin, dass Kohlenstofffasern nicht einfach wie Aluminium eingeschmolzen und reformiert werden können. Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe erhalten ihre Festigkeit durch lange, präzise ausgerichtete Kohlenstofffasern, die in einem leimartigen Polymer fixiert sind, das bei hohen Temperaturen und Drücken ausgehärtet wird. Nach dem Aushärten schmelzen die meisten dieser zähen Polymere nicht mehr und müssen verbrannt oder chemisch gelöst werden, um die wertvollen Fasern zurückzugewinnen.
In seiner Anlage in der Nähe von Dudley, West Midlands, recycelt ELG Carbon Fibre seit 2009 Kohlenstofffasern durch Abbrennen der Polymere. Vartega, ein Startup mit Sitz in Colorado, das sich zu einem Carbonfaser-Tech-Hub entwickelt, macht etwas Ähnliches mit Chemikalien.
Beide führen zu Fasern, die kürzer und durcheinandergewürfelter sind als neue, was ihre Fähigkeit, schwere Lasten zu tragen, verringert, sagt Steve Pickering, Leiter der Abteilung Maschinenbau, Werkstoff- und Fertigungstechnik an der Universität von Nottingham.
Recycelte Kohlefaser landet oft in Tennisschlägern und Golfschlägern, wo geringes Gewicht (und das Gütesiegel der Kohlefaser) wichtiger ist als Festigkeit, sagt Pickering. “Es ist immer noch ein gutes Material, aber es ist nicht viel besser als andere billige Materialien wie Aluminium und andere Verbundwerkstoffe”, fügt er hinzu.
Zukunft der Kohlefaser
Pickerings Forschungsteam arbeitet an einer Möglichkeit, recycelte Fasern in Flüssigkeit zu dispergieren und sie durch eine winzige Düse neu auszurichten. Er glaubt, dass der Prozess letztendlich zu recycelten Kohlefasern führen wird, die stark genug für den automobilen Einsatz sind.
Effizienteres Recycling könnte auch große Auswirkungen auf die Kosten haben, sagt er. Als Material für Autoteile kostet Kohlefaser derzeit 20-mal mehr als Stahl und 10-mal mehr als Aluminium, so eine Studie (pdf) von Jaguar Land Rover.
Chris Kaffer, CEO von Mallinda aus Colorado, einem Startup, das an Kohlefaser arbeitet, stimmt zu, dass es Spielraum gibt, die Kosten zu senken. Das Unternehmen hat ein neues Polymer entwickelt, das bei niedrigeren Temperaturen runderneuert und repariert werden kann und – weil es leicht umzuformen ist – das Stanzen von Kohlefaser-Autoteilen in weniger als einer Minute anstelle der derzeit mehreren Stunden ermöglicht.
“Wir stellen uns vor, die Kosten für Kohlenstofffasern zu senken, indem wir einen Sekundärmarkt für die Einarbeitung von recycelten Fasern in neue Produkte schaffen”, sagt Kaffer.
Das wird nicht über Nacht geschehen. Die großen Autohersteller haben sich in der Vergangenheit als langsam erwiesen, neue Materialien anzunehmen: die Umstellung des Fahrgestells des F-150 Pickup von Stahl auf Aluminium dauerte beispielsweise sechs Jahre und kostete eine Milliarde Dollar.
“Außerdem haben wir 50 Jahre traditionelle Kohlefaserchemie und -entwicklung aufzuholen”, sagt Kaffer.
Die gute Nachricht ist, dass Kohlefaserprodukte eine lange Lebensdauer haben: Die aktuelle Generation von Rotorblättern von Windkraftanlagen und Elektrofahrzeugen wird mindestens noch ein Jahrzehnt lang nicht auf den Abrisshof fahren. Vielleicht haben wir bis zur Pensionierung der zweiten Generation einen besseren Ort, um ihre kostbaren Kohlenstofffasern unterzubringen, als ein Loch in den Boden.
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