Verbundwerkstoffe im Sport: Recycling von Kohlenstofffasern

In den Anfangsjahren der modernen Olympischen und Paralympischen Spiele traten Athletinnen und Athleten noch mit schwerer, wenig strömungsgünstiger Ausrüstung an. Beim Speerwurf etwa hat sich der Weltrekord seit 1908 – dem Jahr, in dem die Disziplin eingeführt wurde – nahezu verdoppelt.

Sportlerinnen und Sportler sind besser geworden – doch auch ihre Ausrüstung hat enorme Fortschritte gemacht.

Tatsächlich hat sich Sportgerät (und die Werkstoffe, aus denen es besteht) in nahezu allen Disziplinen stark weiterentwickelt. Besonders faserverstärkte Kunststoffe haben dabei einen Umbruch ausgelöst. Diese Verbundwerkstoffe kombinieren Kunststoffe häufig mit widerstandsfähigen Kohlenstoff- oder Glasfasern. Auf höchstem Niveau sind sie heute in den meisten Sportarten anzutreffen.

Die Kombination aus hoher Festigkeit, Biegsamkeit und geringem Gewicht ermöglicht es Athletinnen und Athleten, die Grenzen ihrer Sportarten zu verschieben, Medaillen zu gewinnen und ihren Ländern Anerkennung zu bringen. Gleichzeitig gibt es einen Preis, der oft übersehen wird.

Verbundwerkstoffe lassen sich bekanntermassen nur schwer recyceln. Und die Abfallmengen aus dem Sport nehmen rasch zu. Unsere Forschung zeigt einen Weg, diesen Abfall zu verringern – und dabei wertvolle Kohlenstofffasern zurückzugewinnen.

Verbundwerkstoffe überall

Faserverstärkte Polymere sind heute allgegenwärtig, weil sie aussergewöhnliche Eigenschaften vereinen: geringes Gewicht, Flexibilität, hohe Festigkeit und lange Haltbarkeit. Diese Merkmale lassen sich zudem gezielt anpassen – etwa durch die Wahl der Fasern, durch Materialmischungen oder durch Änderungen im Design der Sportgeräte.

Wer einen modernen Tennisschläger in die eine Hand nimmt und einen alten Holzschläger in die andere, merkt den Unterschied sofort. Aktuelle Verbundschläger sind zugleich leicht und robust, wodurch Spielerinnen und Spieler höhere Schwunggeschwindigkeiten erreichen können.

Auch Badmintonschläger sind längst nicht mehr aus massivem Holz. Inzwischen werden sogar Federbälle eingesetzt, deren Federn mit Kohlenstoffstäben verstärkt sind.

Im Laufschuhbereich werden Kohlenstoffverbunde genutzt, um die Rückfederung zu erhöhen, den Vortrieb zu unterstützen, die Stabilität im Fersenbereich zu verbessern und die Ermüdung der Füsse zu verringern.

Auch der Radsport profitiert stark von Kohlenstoffverbunden. Moderne Rennräder bestehen häufig vollständig aus Kohlenstofffasern – einschliesslich Muffen, Rohren und Verbindungsstellen. Sie sind leicht, sehr langlebig und weisen im Vergleich zu metallischen Rahmen eine deutlich geringere Luftwiderstandsbelastung auf.

Wohin man auch schaut, finden sich faserverstärkte Kunststoffverbunde: Bögen im Bogenschiessen, Stäbe beim Stabhochsprung, Rollstühle bei den Paralympics, Kohlenstoff-Netzpfosten im Volleyball, Sättel, Hufeisen und Helme in Reitsportdisziplinen, Gewehr-Zweibeine im Schiesssport, Golfschlägerschäfte, Boote im Segelsport, Skateboards, Surfbretter und sogar Kletterwände beim Sportklettern – all das wird heute aus Verbundwerkstoffen gefertigt.

Wenn die Spiele vorbei sind

Diese Materialien haben zahlreiche Sportarten verändert. Allerdings bestehen Verbundwerkstoffe aus mehreren zusammengefügten Komponenten – und genau das macht ihr Recycling oft schwierig.

Im Vereinigten Königreich landen zum Beispiel rund 90 Prozent des gesamten Verbundabfalls auf Deponien. Nur 2 Prozent werden als Kohlenstofffaser wiederverwendet. Die Herstellung neuer Verbundwerkstoffe ist zudem sehr energieintensiv.

Weltweit erreichen jedes Jahr etwa 7.000 Tonnen Verbund-Sportausrüstung das Ende ihrer Nutzungsdauer und wären grundsätzlich recycelbar. Der Bedarf an Recycling wächst. Dieser Abfallstrom macht inzwischen fast 9 Prozent des gesamten Verbundwerkstoffmarkts aus.

Mit der steigenden Verbreitung dieser Materialien suchen Forschende nach besseren Recyclingwegen – idealerweise nach Verfahren, die sich auch wirtschaftlich tragen. Viele Ansätze sind nicht profitabel, doch unsere frühere Kosten-Nutzen-Forschung hat mehrere Methoden als vielversprechend identifiziert.

In einer aktuellen Studie haben wir eine dieser Optionen praktisch geprüft: das thermochemische Recycling.

Das Grundproblem beim Recycling von Verbundwerkstoffen liegt in ihrem Aufbau. Häufig sind sie mit Polymeren oder Harzen beschichtet, um die Oberfläche widerstandsfähiger zu machen. Diese Schichten erschweren jedoch das Trennen der Bestandteile. Der wertvollste Anteil in solchen Verbunden sind die Kohlenstofffasern.

Um Wege zu finden, diese Fasern zurückzugewinnen, nahmen wir beschädigte Fahrräder aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff und untersuchten Recyclingverfahren, die Chemikalien und Wärme kombinieren.

Durch ein Vorgehen nach dem Prinzip Versuch und Irrtum entwickelten wir sehr effiziente chemische Verfahren zur Vorbehandlung der kaputten Fahrräder und ermittelten die optimale Temperatur, um das Material aufzuschmelzen: 425°C.

Bei dieser Temperatur konnten wir die Fasern relativ unversehrt extrahieren. Die recycelten Fasern behielten 94 Prozent ihrer ursprünglichen Steifigkeit und 90 Prozent ihrer ursprünglichen Festigkeit.

Damit eignen sie sich für Anwendungen, in denen eine etwas geringere Festigkeit und Steifigkeit akzeptabel ist.

Zurückgewonnene Kohlenstofffasern lassen sich ausserdem im 3D-Druck für weitere Fahrradkomponenten einsetzen, was ein sehr gutes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit und eine höhere Haltbarkeit ermöglicht – oder sogar in bewehrtem Beton.

Wie geht es von hier aus weiter?

Es ist schwer vorstellbar, dass Athletinnen und Athleten jemals wieder zu der schweren, wenig strömungsgünstigen Ausrüstung früherer Zeiten zurückkehren. Wenn jedoch wertvolle Werkstoffe am Ende der Lebensdauer von Sportgeräten kosteneffektiv zurückgewonnen werden können, entsteht ein Anreiz, mit diesem wachsenden Abfallstrom sinnvoll umzugehen.

Obwohl unsere neue Methode weniger Energie benötigt als bestehende thermische Recyclingprozesse und vergleichsweise umweltfreundliche Abfallnebenprodukte erzeugt, sind wir überzeugt, dass sich das Verfahren weiter verbessern lässt – sodass es noch energieärmer arbeitet.

Letztlich hoffen wir, dass diese Methode kleinen und mittleren Recyclingunternehmen dabei helfen kann, mehr Verbundprodukte aus dem Sport zu verarbeiten.

Ali Hadigheh, Senior Lecturer, Bauingenieurwesen (Tragwerksplanung), Universität Sydney, und Yaning Wei, Postdoktorand, Bauingenieurwesen, Universität Sydney

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