01.09.2022 Ι Forschende der TU Bergakademie Freiberg und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) schlagen nun eine neue Art des Recyclings für Karbonfasern und karbonfaserverstärkte Kunststoffe vor. Sie könnten herkömmliche kohlenstoffbasierte Reduktionsmittel bei der Verarbeitung metallurgischer Schlacken anteilsweise ersetzen. Ihre Ergebnisse stellte das Forschungsteam jetzt bei der Conference of Metallurgists vor.

Ein „zu stabiler“ High-Tech-Werkstoff

Karbonfasern und karbonfaserverstärkte Kunststoffe kommen in Flugzeugen, Rotorblättern von Windenergieanlagen, Elektroautos und Tennisschlägern zum Einsatz. Doch was am Ende aus den ausgedienten Materialien wird, ist bisher unklar: Produkte mit Karbonfasern können aufgrund ihrer Hitzestabilität in herkömmlichen Müll- und Sondermüllverbrennungsanlagen nicht verbrannt werden. Zudem ist es in Deutschland nicht gestattet, sie zu deponieren – momentan werden sie lediglich gelagert. Erforscht werden deshalb verschiedene Ansätze zum Recycling der Fasern.

Karbon reagiert zu Eisen

Die Forschenden werfen in ihrem Verfahren – vereinfacht gesagt – die Karbonfasern in eine 1.400 Grad Celsius heiße Schlacke und schmelzen den Werkstoff ein. Dahinter steckt das Ziel, aus Eisenoxid Eisen zu gewinnen.

Die Glas-Phase (links) und die Eisen-Phase (rechts) der mit den Karbonfasern reduzierten Kupferschlacke. (Foto: L. Blenau)

„Unter sehr hohen Temperaturen mischen wir ganze oder pulverisierte Karbonfasern in

eine schmelzflüssige Schlacke, wie sie als Überrest aus der Verhüttung von Metallen vorkommt. Der Kohlenstoff aus den Fasern reagiert mit dem Eisenoxid in der Schlacke zu Roheisen, das in der Stahlproduktion wiederverwendet werden könnte“, erklärt Ludwig Blenau, Doktorand am Institut für Nichteisenmetallurgie und Reinststoffe der TU Bergakademie Freiberg. „Außerdem bildet sich während der Reaktion aus der verbleibenden sekundären Schlacke eine sogenannte Glas-Phase aus der Glasfasern für Mineralwolle oder Baustoffe gewonnen werden können“, so der Doktorand.

Durch Karbonfasern Wertmetalle gewinnen?

Die Methode, aus metallurgischen Schlacken oder Erz-Konzentraten Wertmetalle reduktiv zu gewinnen, ist in Forschung und Entwicklung bereits etabliert. Jedoch kommt dazu bisher Kohlenstoff aus Kohlen oder Koksen zum Einsatz. Ausgediente Karbonfasern könnten diesen zukünftig anteilsweise ersetzen:

„Weltweit fielen zwischen 2015 und 2019 laut den Carbon Composites e.V. Marktberichten rund 170 Kilotonnen pro Jahr der kohlenstoffhaltigen Fasern an. Damit kann das vorgeschlagene Verfahren zwar nicht den immensen Bedarf für die Metallherstellung decken. Aber es ist ein effizienter und sicherer Ansatz für die Verwertung der Karbonfasern“, ergänzt Prof. Alexandros Charitos.

Ziel: Nachhaltigere Leichtbauwerkstoffe

„Da den Leichtbautechnologien mit Karbonfasern hohe Wachstumskurven vorausgesagt werden, wird der Bedarf für sichere Verwertungswege der Karbonfasern am Ende ihres Lebenszyklus weiter steigen“, bekräftigt Prof. Dieter Stapf vom Institut für Technische Chemie des KIT.

Die Technologie könnte ein erster Schritt sein, damit die Leichtbauwerkstoffe auch beim Recycling punkten. Die vorgeschlagene stoffliche Verwertung sei Stapf zufolge eine vielversprechende Möglichkeit hierfür. Würden Karbonfasern als Reduktionsmittel eingesetzt, könnten sie zukünftig fossile Rohstoffe ersetzen.

Als Nächstes möchte das Team untersuchen, ob der im Labor entwickelte Verwertungsweg der Karbonfasern auch in vor-industriellem Maßstab funktioniert. Die Ergebnisse wurden im Rahmen von Forschungsarbeiten im Projekt „Alternative Fasermaterialien auf Basis von Kupferschlacken“ gewonnen. Dieses Projekt wird noch bis 2022 von der Sächsischen Aufbaubank an der TU Bergakademie Freiberg mit insgesamt 800.000 Euro gefördert.