Kohlenstofffaser-Recycling für Sportausrüstung: eine neue Methode

In den Anfangsjahren der modernen Olympischen und Paralympischen Spiele traten Sportlerinnen und Sportler mit schwerer, nicht aerodynamischer Ausrüstung an. Der Rekord im Speerwurf hat sich beispielsweise seit der Einführung dieser Disziplin im Jahr 1908 nahezu verdoppelt.

Nicht nur die Athletinnen und Athleten sind leistungsfähiger geworden – auch ihre Ausrüstung hat sich weiterentwickelt.

Tatsächlich wurden Sportgeräte und die dafür verwendeten Werkstoffe in fast allen Sportarten verbessert. Besonders revolutionär waren faserverstärkte Kunststoffe. Diese Verbundwerkstoffe verbinden üblicherweise Kunststoffe mit widerstandsfähigen Kohlenstoff- oder Glasfasern. In den meisten Leistungssportarten gehören sie inzwischen zur Standardausstattung.

Die robusten, biegsamen und leichten Materialien ermöglichen es Athletinnen und Athleten, die Grenzen ihrer Disziplinen weiter zu verschieben, Medaillen zu gewinnen und ihren Ländern Anerkennung zu verschaffen. Doch damit ist ein verborgener Preis verbunden.

Verbundwerkstoffe lassen sich bekanntermaßen nur schwer recyceln, während die Menge an Sportabfällen rasch wächst. Unsere Forschung zeigt einen Weg auf, diesen Abfall zu verringern und zugleich wertvolle Kohlenstofffasern zurückzugewinnen.

Verbundwerkstoffe in fast jeder Sportart

Faserverstärkte Polymere sind wegen ihrer besonderen Eigenschaften allgegenwärtig geworden. Sie vereinen geringes Gewicht, Flexibilität, Festigkeit und Langlebigkeit. Durch die Auswahl der Fasern, das Kombinieren von Werkstoffen und Veränderungen am Design von Sportgeräten lassen sich diese Eigenschaften gezielt anpassen.

Nimmt man einen modernen Tennisschläger in die eine und einen alten Holzschläger in die andere Hand, fällt der Unterschied sofort auf. Neue Schläger aus Verbundwerkstoffen sind leicht und stabil, sodass Spielerinnen und Spieler höhere Schlägerkopfgeschwindigkeiten erzielen können.

Auch Badmintonschläger bestehen längst nicht mehr aus massivem Holz. Heute werden sogar die Federn von Federbällen mit Kohlenstoffstäben verstärkt.

Laufschuhe nutzen Kohlenstoffverbundwerkstoffe, um ihre Federwirkung zu verbessern, den Vortrieb zu unterstützen, die Stabilität der Ferse zu erhöhen und die Ermüdung der Füße zu reduzieren.

Auch der Radsport profitiert erheblich von Kohlenstoffverbundwerkstoffen. Moderne Rennräder bestehen häufig vollständig aus Kohlenstofffasern – einschließlich Muffen, Rohren und Verbindungen. Im Vergleich zu Modellen aus Metall sind diese Fahrräder leicht, äußerst langlebig und bieten deutlich weniger Luftwiderstand.

Wohin man auch blickt, finden sich faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe: Bögen im Bogenschießen, Stäbe beim Stabhochsprung, Rollstühle bei den Paralympischen Spielen, Netzpfosten aus Kohlenstoff im Volleyball, Sättel, Hufeisen und Helme im Pferdesport, Zweibeine an Waffen im Schießen, Golfschäfte im Golfsport, Boote im Segeln, Skateboards beim Skaten, Surfbretter beim Surfen und sogar Kletterwände beim Sportklettern – sie alle werden heute aus Verbundwerkstoffen gefertigt.

Recycling von Sportausrüstung nach ihrem Einsatz

Diese Materialien haben zahlreiche Sportarten verändert. Da Verbundwerkstoffe jedoch aus mehreren miteinander verbundenen Materialien bestehen, sind sie oftmals schwer wiederzuverwerten.

Im Vereinigten Königreich landen beispielsweise etwa 90 Prozent aller Verbundwerkstoffabfälle auf Deponien. Nur 2 Prozent werden für Kohlenstofffasern wiederverwendet. Die Herstellung neuer Verbundwerkstoffe benötigt viel Energie.

Weltweit erreichen jährlich rund 7.000 Tonnen Sportausrüstung aus Verbundwerkstoffen das Ende ihrer Nutzungsdauer und könnten recycelt werden. Die Nachfrage nach Recycling wächst. Dieser Abfallstrom macht inzwischen nahezu 9 Prozent des gesamten Markts für Verbundwerkstoffe aus.

Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Werkstoffe haben Forschende nach besseren Recyclingverfahren gesucht – idealerweise nach Methoden, die zugleich wirtschaftlich rentabel sind. Viele Verfahren sind nicht profitabel, doch unsere frühere Kosten-Nutzen-Forschung hat mehrere vielversprechende Ansätze ermittelt.

In unserer aktuellen Forschung haben wir eines dieser Verfahren untersucht: das thermochemische Recycling.

Die Wiederverwertung von Verbundwerkstoffen ist anspruchsvoll. Häufig sind sie mit Polymeren oder Harzen beschichtet, damit ihre Oberflächen widerstandsfähiger werden. Dadurch lassen sich die einzelnen Materialien jedoch schwerer voneinander trennen. Kohlenstofffasern sind der wertvollste Bestandteil dieser Verbundwerkstoffe.

Um Möglichkeiten zur Gewinnung dieser Fasern zu finden, verwendeten wir beschädigte Fahrräder aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff und erprobten deren Recycling mithilfe von Chemikalien und Wärme.

Durch Versuche entwickelten wir äußerst effiziente chemische Verfahren zur Vorbehandlung defekter Fahrräder und bestimmten die optimale Schmelztemperatur: 425°C.

Bei dieser Temperatur konnten wir die Fasern in vergleichsweise unversehrtem Zustand gewinnen. Die recycelten Fasern behielten 94 Prozent ihrer ursprünglichen Steifigkeit sowie 90 Prozent ihrer ursprünglichen Festigkeit.

Damit können sie für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine geringfügig niedrigere Festigkeit und Steifigkeit akzeptabel sind.

Zurückgewonnene Kohlenstofffasern können außerdem beim 3D-Druck weiterer Fahrradkomponenten eingesetzt werden. Dort bieten sie ein hohes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit und eine erhöhte Haltbarkeit. Auch eine Verwendung in bewehrtem Beton ist möglich.

Wie geht es mit Kohlenstofffaser-Recycling weiter?

Es ist kaum vorstellbar, dass Athletinnen und Athleten jemals wieder zur schweren, nicht aerodynamischen Ausrüstung der Vergangenheit zurückkehren werden. Können wertvolle Materialien jedoch am Ende der Nutzungsdauer von Sportausrüstung kosteneffizient zurückgewonnen werden, entsteht ein Anreiz, diesen wachsenden Abfallstrom sinnvoll zu nutzen.

Unser neues Verfahren benötigt weniger Energie als bestehende thermische Recyclingprozesse und erzeugt vergleichsweise umweltfreundliche Abfallnebenprodukte. Dennoch gehen wir davon aus, den Prozess weiter verbessern zu können, sodass er noch weniger Energie verbraucht.

Letztlich hoffen wir, dass diese Methode kleinen und mittleren Recyclingunternehmen dabei hilft, mehr Verbundwerkstoffprodukte aus dem Sport zu verarbeiten.

Ali Hadigheh, leitender Dozent für Tragwerksplanung, Universität Sydney, und Yaning Wei, Postdoktorand in Bauingenieurwesen, Universität Sydney

Dieser Artikel wird unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.