Elektroschrott mit gepulsten Entladungen recyceln

Pro Jahr fallen laut Global E-Waste Monitor weltweit 44,7 Millionen Tonnen Elektroschrott an. Bei den Verursacherländern steht China an erster Stelle (5,2 Kilogramm pro Einwohner), gefolgt von den USA (6,3 Kilogramm) und von Japan (2,1 Kilogramm). Deutschland (1,9 Kilogramm) rangiert an fünfter Stelle. Da die Anzahl der elektronischen Geräte weltweit zunimmt, ist mit einer Trendumkehr nicht zu rechnen. Auch der Lebenszyklus vieler Geräte verringert sich.

Tomohiko Yamashita von der Graduate School of Science and Technology der Kumamoto University berichtet, dass nur 20% des gesamten Elektroschrotts recycelt würden, während 80 % auf Deponien entsorgt würden. Er kritisiert nicht nur Umweltschutzaspekte, sondern weist auf die Verschwendung wertvoller Ressourcen hin. Weitere Experten bestätigen dies: Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI und das Deutsche Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung IZT rechnen ab 2030 bereits mit Engpässen bei seltenen Metallen. Viel spricht für Recycling, doch bekannte Verfahren haben ihre Nachteile. Neben Geräten zur Zerkleinerung des Materials benötigen Firmen teure, giftige Chemikalien, um Edelmetalle aus dem Gemisch heraus zu lösen. Japanische Forscher stellen jetzt eine sauberere und effizientere Recyclingmethode vor. Sie arbeiten mit gepulsten elektrischen Entladungen.

Gepulste Energie mit neuem Einsatzgebiet

Bislang wussten Ingenieure nur, dass gepulste Energie bei der Aufbereitung verschiedener Abfälle von Beton bis Abwasser erfolgreich eingesetzt werden kann. Um zu testen, ob sich das Verfahren zum Recycling von Elektroschrott eignet, experimentierte Yamashita mit alten CD-ROMs. Die Forscher konnten zeigen, dass die vollständige Trennung von Metall und Kunststoff mit 30 Impulsen bei etwa 35 Joule pro Impuls möglich ist. Als Kostenfaktor geben sie umgerechnet 0,33 Cent für 100 CD-ROMs an, wobei ihren Kalkulationen der japanische Strompreis zugrunde liegt.

Danach ging es um die Frage, welche Mechanismen bei der Materialtrennung ablaufen. Dafür nahmen die Forscher die lasmaentladung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf. Sie visualisierten Stoßwellen, um sie beurteilen zu können, und sie maßen, wie sich die Fragmente bewegten.

Mechanismen des Materialabbaus geklärt

Bilder im frühen Stadium der elektrischen Entladung zeigen zwei unterschiedliche Lichtemissionen, nämlich blauweiß und orange. Yamashita erklärt die Farben mit der Anregung von Aluminiumteilen sowie Kunststoffanteilen der CD-ROMs. Im nächsten Schritt beobachteten die Forscher, wie Plastik- und Metallfragmente vom Datenträger förmlich wegflogen.

Während des gesamten Prozesses fanden Wissenschaftler auf den Hochgeschwindigkeitsbildern charakteristische Schlieren, die sich mit Stoßwellen an beiden Elektroden erklären lassen. Jeder Impuls führte zu einem Druck von über 3,5 Megapascal. Ähnliche Werte erzeugt ein galoppierendes Pferd am Boden. „Unser Projekt hat gezeigt, wie wichtig Stoßwellen sind, wenn Impulsenergie zur Materialentfernung und -trennung beim Recycling von Elektroschrott eingesetzt wird“, fasst Hamid Hosano zusammen. Der Professor an der Graduate School of Science and Technology der Kumamoto University ergänzt: „Wir glauben, dass unsere Daten für die Entwicklung künftiger Recyclingprojekte wichtig sein werden.“

Elektroschrott: Viele Exporte in Entwicklungsländer

Bis zur Umsetzung in großem Stil kann noch Zeit vergehen, der Bedarf an neuen Verfahren ist groß. Einerseits gehen die Ressourcen wertvoller Seltenerdmetalle zur Neige. Anderseits enthalten viele elektronische Geräte Blei, Arsen, Cadmium und Quecksilber. Hinzu kommen, je nach Alter der Geräte, polybromierte Biphenyle, PVC, chlorierte, bromierte und gemischt halogenierte Dioxine.

Viele Länder, allen voran die USA, exportieren große Teile ihres Elektroschrotts in Schwellen- und Entwicklungsländer. Vor Ort ist nur selten mit fachgerechtem Recycling zu rechnen. Elektroschrott wird mit einfachsten Mitteln zerlegt. Oft kommen nur Hämmer und Zangen zum Einsatz. Kinderarbeit ist auch keine Seltenheit. Um an wertvolle Metalle zu gelangen, verbrennen Arbeiter die Reste im Freien. Ein leicht durchführbares, kostengünstiges Verfahren könnten die Recyclingquoten vor Ort verbessern – und gleichzeitig Arbeiter und Umwelt schonen.

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