Wenn der Leichtbau wiederverwertbar wird

Flugzeuge und Züge brauchen Materialien, die leicht und stabil sind und im Brandfall nicht einfach Feuer fangen. Genau diese Eigenschaften machen viele Verbundwerkstoffe am Ende ihrer Lebensdauer schwer recycelbar. Forscher der Empa haben nun ein Epoxidharz entwickelt, mit dem sich bestimmte solche Verbundwerkstoffe wieder in ihre Bestandteile zerlegen lassen. Bis daraus ein industrielles Recyclingverfahren wird, ist es allerdings noch ein weiter Weg.

Ein Flugzeug soll möglichst wenig wiegen. Zugleich muss es hohen Belastungen standhalten, und für die Materialien im Innenraum gelten strenge Brandschutzvorschriften. Faserverbundwerkstoffe sind dafür gut geeignet. Bei der Boeing 787 bestehen rund 50 Prozent des Flugzeugs nach Gewicht aus Verbundwerkstoffen, beim Airbus A350 liegt der Anteil bei rund 53 Prozent des Strukturgewichts.

Im Betrieb sind solche Materialien ein Gewinn. Am Ende ihrer Lebensdauer werden sie zum Problem.

Viele Faserverbundwerkstoffe bestehen aus Kohlenstoff- oder Glasfasern, die in Epoxidharz eingebettet sind. Das Harz gehört zu den Duroplasten. Beim Aushärten entsteht ein engmaschiges Molekülgerüst, das sich nicht einfach wieder schmelzen lässt. Fasern und Harz sind danach fest miteinander verbunden. Was für die Stabilität des Bauteils sorgt, erschwert seine Wiederverwertung.

Eine Vorstellung davon, welche Mengen künftig zusammenkommen könnten, liefert eine Modellrechnung aus der Forschung. Sie kommt zu dem Ergebnis, dass bis 2050 weltweit rund 500.000 Tonnen kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe aus der Produktion und dem Ende der Lebensdauer von Verkehrsflugzeugen anfallen könnten, wenn keine ausreichenden Recyclingwege entstehen. Das ist ein Szenario, keine sichere Prognose.

Abfall fällt allerdings schon heute an. Beim Schweizer Flugzeugbauer Pilatus entstehen nach Unternehmensangaben allein beim Zuschneiden von kohlenstofffaserverstärkten Prepregs – also mit Kunstharz vorimprägnierten Faserwerkstoffen – mehr als sechs Tonnen Material pro Jahr. Pilatus sucht deshalb gemeinsam mit Forschungspartnern nach Möglichkeiten, solche Reste wiederzuverwenden.

Recycelbar: Mit dem richtigen Lösungsmittel und etwas Wärme lässt sich das «Sandwich» wieder in seine einzelnen Komponenten zerlegen. — © Empa

Die Empa setzt an einer anderen Stelle an. Forscher um Sabyasachi Gaan vom Labor für Advanced Fibers haben gemeinsam mit dem Spezialchemieunternehmen Elantas, das zum deutschen Altana-Konzern gehört, ein phosphorhaltiges Additiv für Epoxidharze entwickelt. Es soll das Harz flammhemmend machen und zugleich dafür sorgen, dass sich der Verbund später wieder zerlegen lässt.

Getestet wurde das System unter anderem an Sandwich-Bauteilen, wie sie im Innenausbau von Flugzeugen und Zügen verwendet werden, etwa für Kabinenböden. Im Inneren steckt eine leichte Wabenstruktur aus Aramid. Außen liegen Schichten aus Glas- oder Kohlenstofffasern. Das Epoxidharz verbindet alles miteinander.

Nach Angaben der Empa lässt sich dieser Verbund mit einem geeigneten Lösungsmittel und moderater Wärme wieder auseinandernehmen. Die Aramid-Waben und die Fasergewebe können zurückgewonnen werden. Gleichzeitig erreicht das neue Material nahezu die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Epoxid-Systeme und erfüllt die relevanten Brandschutzanforderungen.

„Unser Material erfüllt die Brandschutzbestimmungen und erreicht fast dieselben vorteilhaften mechanischen Eigenschaften wie gewöhnliches Epoxid“, sagt Gaan. Der entscheidende Unterschied: Der Verbund lässt sich wieder in seine Bestandteile zurückführen.

Damit ist das Recyclingproblem allerdings noch nicht gelöst. Die vollständige Rückgewinnung des Epoxidharzes selbst ist Gegenstand weiterer Arbeiten. Auch müssen die Herstellung des neuen Materials und das Recyclingverfahren auf größere Maßstäbe übertragen werden.

Gerade für die Industrie könnte sich der Aufwand lohnen. Kohlenstofffasern sind teuer und energieaufwendig herzustellen. Aramidfasern sind ebenfalls hochwertige Materialien. Wenn sich solche Fasern aus alten Bauteilen zurückgewinnen und wieder einsetzen lassen, könnte das nicht nur Abfall vermeiden, sondern auch Rohstoffe sparen.

Ob das Verfahren wirtschaftlich wird, ist eine andere Frage. Die zurückgewonnenen Fasern müssen ausreichend gute Eigenschaften behalten. Das Recycling darf nicht mehr Energie, Lösungsmittel und Geld verschlingen, als durch die Wiederverwendung eingespart wird. Und ein Verfahren, das im Labor funktioniert, muss sich noch lange nicht für große Bauteile aus Flugzeugen eignen.

Andere Forschungsprojekte arbeiten deshalb ebenfalls daran, Kohlenstofffasern aus ausgedienten Flugzeugstrukturen zurückzugewinnen. Das Problem dürfte an Bedeutung gewinnen. Die Europäische Agentur für Flugsicherheit EASA geht davon aus, dass weltweit im vergangenen Jahrzehnt durchschnittlich rund 650 Verkehrsflugzeuge pro Jahr außer Dienst gestellt wurden.

Die Flugzeuge werden nach ihrer Stilllegung zerlegt. Viele Materialien und Komponenten lassen sich wiederverwenden oder verwerten. Bei Verbundwerkstoffen ist das schwieriger. Für Flugzeuge gibt es in Europa zudem bislang keine eigene End-of-Life-Regelung, die mit den Vorgaben für Straßenfahrzeuge vergleichbar wäre.

Die Entwicklung der Empa ist deshalb vor allem ein Beispiel dafür, wie sich die Konstruktion eines Materials verändern lässt, damit es nicht zwangsläufig nur ein Leben hat. Der Ansatz lautet nicht, auf leistungsfähige Verbundwerkstoffe zu verzichten. Vielmehr sollen sie so beschaffen sein, dass man sie später wieder auseinanderbekommt.

Das klingt zunächst nach einem kleinen chemischen Detail. Für den Leichtbau könnte es jedoch wichtig werden. Denn gerade die Materialien, die Flugzeuge und Züge leichter und sicherer machen, gehören zu den schwierigeren Kandidaten für eine Kreislaufwirtschaft.

Ob das neue Epoxidharz tatsächlich in Serienflugzeugen oder Zügen eingesetzt wird, muss sich erst zeigen. Noch fehlen Erfahrungen im industriellen Maßstab und ein Nachweis, dass das Recyclingverfahren auch wirtschaftlich funktioniert.

Der Zielkonflikt zwischen Leichtbau, Brandschutz und Recycling ist damit nicht gelöst. Aber er erscheint auch nicht mehr grundsätzlich unauflösbar.