Das Wichtigste auf einen Blick:
- Mit Carbonfaser verstärkte Bauteile treiben die Elektromobilität und die Energiewende voran.
- Bisher sind sie kaum recycelbar und werden meistens deponiert. Damit gehen wertvolle Ressourcen verloren.
- Ein neues Verfahren setzt auf eine spezielle, schonende Lasertechnik.
Sie gelten als superleichte Kraftprotze: Faserverbundwerkstoffe. Umhüllt von einer robusten Harz-Matrix stecken Carbon- oder Glasfasern in Flugzeugflügeln und in Windkraftanlagen. Oder sie fahren in Karosserie und Innenraum vieler Autos mit – insbesondere in elektrisch betriebenen. Faserverbundwerkstoffe machen bis zu 10 Prozent eines Wagens aus und bis zu drei Viertel eines Rotorblatts.
Die praktische Kombination aus hoher Festigkeit und Steifigkeit sowie geringem Gewicht hat allerdings einen Nachteil: Einmal verbunden, sind Harz und Fasern nicht mehr trennbar und daher kaum recycelbar – zumindest nicht in der Ursprungsqualität. Bauteile werden deshalb bisher geschreddert und deponiert, die wertvollen Carbonfasern gehen also verloren.
Im niedersächsischen Wischhafen geht der Technologie-Konzern Mitsubishi Chemical Advanced Materials (MCAM) einen anderen Weg. Er betreibt dort eine Anlage, die carbonfaserhaltige Produktionsreste über thermische Zersetzung aufspaltet. Vom Verschnitt aus der Prepreg-Herstellung über vorimprägnierte Gewebe bis zu ausgehärteten Bauteilen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff.
Warum das Recycling von Faserverbundwerkstoffen bisher an Grenzen stößt
Dabei geht MCAM so vor: Das Material wird sortiert und zerkleinert, dann unter Sauerstoffausschluss erhitzt (Pyrolyse). So zersetzt sich die Matrix, in der über ein Bindemittel die Faser eingebettet ist. Die Carbonfaser wird nicht beschädigt. Die zurückgewonnenen Fasern, sogenannte Rezyklate, können zu Kurzfasern, Stapelfasern oder Carbonfaservliesen weiterverarbeitet werden und gelangen so in den Stoffkreislauf zurück.
Für den Einsatz in Flugzeugflügeln, Wasserstofftanks oder Rotorblättern von Windkraftanlagen fehlt diesem Material allerdings die Länge der ursprünglichen Endlos-Carbonfasern. Das Rezyklat hat eine um bis zu 30 Prozent geringere Zugfestigkeit als die Originalfaser. Deshalb wären aus ihm gefertigte Faserverbundwerkstoffe nicht steif und fest genug, um den immensen Kräften standzuhalten.
Das zu ändern, daran arbeitet ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik Ernst-Mach-Institut (EMI) in Freiburg. Es hat ein Verfahren entwickelt, mit dem die Kunststoffschicht um die Carbonfaser per Laser zersetzt wird. „Die Besonderheit bei diesem Prozess ist, dass wir die Pyrolyse der Matrix und das Abwickeln der Fasern gleichzeitig, möglichst schnell und ohne Beschädigung der Carbonfasern umsetzen“, erklärt EMI-Projektleiter Mathieu Imbert.
Neues Laser-Verfahren gewinnt endlose Carbonfaser wieder
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die zurückgewonnenen, endlosen Fasern die gleichen hohen Leistungsmerkmale wie neue Fasern aufweisen“
Mathieu Imbert, EMI-Projektleiter
Der Trick bei dem Verfahren: Der Laser erhitzt das Material über die Zersetzungstemperatur der Matrix. Die matrixbefreite Carbonfaser bleibt erhalten, sie würde erst bei deutlich höheren Temperaturen Schaden nehmen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die zurückgewonnenen, endlosen Fasern die gleichen hohen Leistungsmerkmale wie neue Fasern aufweisen“, betont Imbert.
Geeignet sei das Verfahren besonders für Wasserstofftanks, die aus endlos gewickelten Carbonfaserfäden bestehen. Auch Karosserie- und Flugzeugteile ließen sich so schichtweise trennen.
Die Forscher wollen den Prozess automatisieren und einen Prototyp bauen, dafür suchen sie Hilfe aus der Industrie. Ziel ist es, die erreichbare Carbonfaserqualität und die Prozesskosten in realitätsnäheren Bedingungen bewerten zu können, um recycelte Endlosfasern zu einem Preis von etwa 10 Euro pro Kilogramm anzubieten. Die Technologie könnte in fünf Jahren marktreif sein.
Textile Forschung in Deutschland
Die rund 1.400 mittelständisch geprägten Unternehmen der deutschen Textil- und Bekleidungsindustrie finden bei ihren Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten Unterstützung durch 16 Textilforschungsinstitute, die rund 1.400 Menschen beschäftigen. Die Institute decken die gesamte textile Wertschöpfungskette ab – von der Faser- und Vliesstoffentwicklung über Textilveredlung bis hin zu Faserverbund- und Recyclingtechnologien. Viele textile Entwicklungen werden mittlerweile als Querschnittstechnologie verstanden, die Impulse für Innovationen in anderen Industrien gibt – vom Maschinenbau bis zur Medizintechnik.
Anja van Marwick-Ebner ist die aktiv-Expertin für die deutsche Textil- und Bekleidungsindustrie. Sie berichtet vor allem aus deren Betrieben sowie über Wirtschafts- und Verbraucherthemen. Nach der Ausbildung zur Steuerfachgehilfin studierte sie VWL und volontierte unter anderem bei der „Deutschen Handwerks Zeitung“. Den Weg von ihrem Wohnort Leverkusen zur aktiv-Redaktion in Köln reitet sie am liebsten auf ihrem Steckenpferd: einem E-Bike.
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