Rund 92 Milliarden t Mineralien, Erze, fossile Brennstoffe und Biomasse wurden einem Bericht des International Ressource Panel 2017 weltweit von uns Menschen in Anspruch genommen. Damit hat sich der Einsatz dieser Rohstoffe seit den frühen 70er Jahren verdreifacht. Die Übernutzung unserer Ressourcen stellt ebenso wie die steigenden Abfallmengen eine Herausforderung für die Umwelt dar.
Neben der Reduzierung des Rohstoffbedarfs kann beispielsweise der Ersatz durch biogene Rohstoffe, also Rohstoffe pflanzlichen oder tierischen Ursprungs, eine umweltfreundliche Alternative bieten. Bislang werden biogene Rohstoffe noch zu oft als Abfallprodukte verbrannt, gerade in der Papier-, Holz- oder Agrarindustrie. Dabei könnten sie durch entsprechende Aufbereitung nutzbar gemacht und als wertvoller Rohstoff zurück in den Kreislauf geführt werden.
Drei Projekte ausgewählt
„Natur- und ingenieurwissenschaftliche Forschung kann hier einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten“, ist Dr. Felix Streiter, Geschäftsführer der Carl-Zeiss-Stiftung, überzeugt. „Viele Rohstoffe sind knapp oder werden unter ökologisch oder sozial schwierigen Bedingungen geborgen. Neben der Reduktion dieser Rohstoffe im Produktionsprozess kann die Forschung an biogenen Rohstoffen hier eine wichtige Alternative anbieten.“
Drei Projekte wurden nun in einem wettbewerblichen Verfahren von einer Expertenkommission ausgewählt. An den Universitäten in Jena, Ilmenau und Kaiserslautern erforschen die interdisziplinären Projektteams in den kommenden sechs Jahren wie sie kritische Rohstoffe wie Kobalt oder Gallium reduzieren oder ersetzen können.
Reduzieren und ersetzen: 3 interdisziplinäre Ansätze
An der Universität Jena plant ein Team um Prof. Dr. Martin Oschatz den Aufbau einer Materialbibliothek sowie die Herstellung von maßgeschneiderten Funktionsmaterialien aus Ligninbestandteilen. Lignin ist ein Biopolymer, das in den Zellen mehrjähriger Pflanzen dafür sorgt, dass diese „verholzen“. In der Zellstoffindustrie wird Lignin separiert und als Abfallprodukt verbrannt. Mehr als 50 Millionen t fallen jährlich davon an. Dabei haben die Grundbausteine von Lignin einen hohen Nutzwert und Verfahren zur Aufspaltung sind bekannt. Anwendungsfeld für diesen Rohstoff könnte unter anderem der Einsatz in Batterien als Alternative zu kritischen Metallen sein.
Industriell eingesetzte Werkzeuge werden meist aus Hartmetall aus Wolframkarbid und Kobalt hergestellt. Beide Mineralien sind knappe Rohstoffe und ökologisch besonders kritisch. Ziel des Projektteams um Prof. Dr. Jan Aurich an der RPTU in Kaiserslautern ist es, diese beiden Mineralien weitestgehend zu ersetzen. Wo dies technisch nicht möglich ist, soll ein geschlossener Werkstoffkreislauf die benötigte Materialmenge um mindestens 50 Prozent reduzieren. Dazu werden bestehende Ansätze zum Hartmetall-Recycling weiterentwickelt. Wissenschaftler:innen aus Produktionstechnik, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Technischer Mechanik und Werkstoffphysik sind an dem Projekt beteiligt.
Halbleitertechnologie und erneuerbare Energieversorgung sind für Wissenschaft und Gesellschaft von großer Bedeutung. Beste Leistungsmerkmale erreicht man dort mit III-V-Halbleitern, d.h. halbleitende Verbindungen aus Elementen der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems. Sie erzielen u. a. Rekordwerte bei Solarzellen, direkter solarer Wasserstofferzeugung oder CO2-Reduktion. Die Elemente Indium oder Gallium sind allerdings nur begrenzt verfügbar und Arsen gesundheitsbedenklich. Prof. Dr. Thomas Hannappel und sein Team an der TU Ilmenau erforschen, wie sie diese kritischen Elemente beispielsweise durch den Einsatz von Aluminium und Phosphor ersetzen oder reduzieren können.
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