Jedes Jahr entstehen weltweit Millionen Tonnen Elektroschrott. Und jedes Jahr werden es noch mehr. 2022 fielen 62 Millionen Tonnen ausrangierter elektrischer Geräte an – 82 Prozent mehr als 2010. Dem aktuellen „Global Waste Monitor“ der Vereinten Nationen zufolge werden es 2030 schon 82 Millionen Tonnen sein, wenn es nicht gelingt, die unheilvolle Entwicklung zu bremsen. Schließlich besteht Elektroschrott zu großen Teilen aus wertvollen Ressourcen. Zudem belastet er die Umwelt, wenn giftige Chemikalien daraus entweichen.
Natürlich: Recycling könnte die Lösung sein. Doch noch gelingt die Wiederverwertung nur zu einem geringen Teil. Nicht einmal ein Viertel des anfallenden Elektroschrotts wurde 2022 einer nachhaltigen Verwendung zugeführt. Einer der Gründe dafür: Wissenschaft und Wirtschaft haben bisher noch keine überzeugende, effiziente Lösung für die Wiederverwendung von Platinen, ohne die kaum ein elektronisches Gerät funktioniert.
Das könnte sich künftig ändern. Forschende der University of Washington haben jetzt eine neue Platine (auch: Leiterplatte) entwickelt. Sie ist ebenso leistungsstark wie bisher gängige Bauteile und kann immer wieder recycelt werden – beim marginalem Materialverlust. Platinen machen laut Vikram Iyer, einem Mitautoren der Studie, einen großen Teil der Masse und des Volumens von Elektronikschrott aus. Zudem seien sie so konstruiert, dass sie feuerfest und chemikalienbeständig seien: „Das macht es aber auch praktisch unmöglich, sie zu recyceln. Wir haben eine neue Materialformulierung entwickelt, deren elektrische Eigenschaften mit denen herkömmlicher Leiterplatten vergleichbar sind, und ein Verfahren, mit dem sie wiederholt recycelt werden können.“
Herausforderung des Platinen-Recycling
Üblicherweise bestehen Platinen, auf denen Computerchips, Transistoren und andere Komponenten installiert und miteinander verbunden sind, aus feinen Glasfaserschichten, die mit hartem Kunststoff überzogen und mit Kupfer laminiert sind. Es ist dieser Überzug, der das Recycling erschwert: Der Kunststoff lässt sich nicht leicht vom Glas trennen.
Das Forschungsteam hat nun stattdessen ein Material verwendet, bei dem dies anders ist. Der Stoff zählt zu den Vitrimeren, einer 2015 entwickelten, innovativen Klasse von Polymeren. Wenn dieser Kunststoff in Kontakt mit einem Lösungsmittel kommt, wird er zu einer Art Gelee. Dadurch gelang es den Forschenden, die festen Komponenten von der Platine problemlos zu lösen. Der Clou dabei: Nicht nur die herausgelösten Bauteile können wiederverwertet werden, sondern auch die geleeartige Vitrimer-Masse. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelang es, daraus wieder und wieder neue, hochwertige Leiterplatten herzustellen. Anders als bei bisher verwendeten Kunststoffen geht beim Recycling von Vitrimer zudem kaum Material verloren: 98 Prozent des Vitrimers, 91 Prozent des eingesetzten Lösungsmittels konnten die Forschenden zurückgewinnen. Die Glasfaserschichten ließen sich sogar verlustfrei erhalten und wiederverwerten.
Wie die neuen Vitrimer-Platinen hergestellt werden
Bei der Herstellung konventioneller Platinen werden halb gehärtete Schichten kühl und trocken gelagert, bevor sie in einer Wärmepresse laminiert werden. Bei ihren neuen „vPCBs“ (vitrimer printed circuit boards) laminierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dagegen die vollständig ausgehärteten Schichten. Das ist deshalb möglich, weil Vitrimere unter bestimmten Bedingungen ihre Moleküle neu anordnen und neue Bindungen eingehen können.
Um die neuartigen Platinen zu recyceln, tauchten die Forschenden sie in ein organisches Lösungsmittel mit einem vergleichsweise niedrigen Siedepunkt. Dabei quoll der Kunststoff auf, ohne die Glasfaserscheiben und elektronischen Bauteile zu beschädigen.
Die innovative Erfindung aus Washington macht Reparaturen an leicht beschädigten Leiterplatten ebenso möglich wie das Recycling und die Wiederverwendung als neue „vPCBs“.
Weniger krebserregende Stoffe, weniger Treibhausgase
Bei Tests auf Festigkeit und elektrische Eigenschaften stellte das Team fest, dass die neuen Platinen mit bisher gebräuchlichen mithalten können. Zugleich wiesen die Forschenden nach, dass ihre Innovation deutlich die Nase vorn hat, wenn es umwelt- oder gesundheitsschädigende Emissionen geht. Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten verursachen sie bei ihrer Produktion 48 Prozent weniger Treibhausgase und 81 Prozent weniger krebserregende Emissionen.
Die neuen Platinen können einen großen Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigeren und gesünderen Herstellung von elektronischen Geräten bedeuten – und zu weniger Elektroschrott. Davon ist das Team der University of Washington überzeugt. Doch damit die „vPCBs“ künftig tatsächlich in großem Maßstab recycelt werden können, reicht die technologische Lösung allein nicht aus, so die Forschenden. Vielmehr müssten auch Systeme und Anreize dafür geschaffen werden, die ausrangierten Geräte überhaupt zu sammeln, damit sie einem neuen Lebenszyklus zugeführt werden können.
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