Wie Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe aus Sportausrüstung recycelt werden können

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.

Die Athletinnen und Athleten sind leistungsfähiger geworden – ihre Ausrüstung aber ebenfalls.

Tatsächlich wurde Sportausrüstung – ebenso wie die dafür verwendeten Materialien – in fast jeder Sportart weiterentwickelt. Besonders revolutionär waren faserverstärkte Kunststoffe. Diese Verbundwerkstoffe verbinden häufig Kunststoffe mit robusten Kohlenstoff- oder Glasfasern. Inzwischen sind sie in den meisten Sportarten auf Spitzenniveau zu finden.

Dank dieser festen, biegsamen und leichten Werkstoffe können Athletinnen und Athleten die Grenzen ihrer Disziplinen weiter verschieben, Medaillen gewinnen und ihren Ländern Anerkennung verschaffen. Allerdings haben sie einen kaum sichtbaren Nachteil.

Verbundwerkstoffe gelten als ausgesprochen schwer recycelbar. Zugleich wächst die Menge an Sportabfällen schnell. Unsere Forschung zeigt einen Weg auf, diesen Abfall zu verringern und wertvolle Kohlenstofffasern zurückzugewinnen.

Verbundwerkstoffe überall im Sport

Faserverstärkte Polymere sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften heute weit verbreitet. Sie vereinen geringes Gewicht, Flexibilität, Festigkeit und Langlebigkeit. Durch die Auswahl der Fasern, die Kombination verschiedener Materialien und Veränderungen am Design der Sportgeräte lassen sich ihre Eigenschaften gezielt anpassen.

Nimmt man einen modernen Tennisschläger in die eine und einen alten Holzschläger in die andere Hand, wird der Unterschied sofort deutlich. Neue Schläger aus Verbundwerkstoffen sind leicht und stabil, sodass Spielerinnen und Spieler höhere Schwunggeschwindigkeiten erreichen können.

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

Laufschuhe nutzen Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, um die Rückfederung zu verbessern, den Vortrieb zu unterstützen, die Ferse stärker zu stabilisieren und die Ermüdung der Füße zu mindern.

Auch der Radsport profitiert erheblich von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen. Moderne Rennräder bestehen häufig vollständig aus Kohlenstofffasern – einschließlich Muffen, Rohren und Verbindungen. Im Vergleich zu Metallrädern sind sie leicht, äußerst haltbar und bieten einen deutlich geringeren Luftwiderstand.

Wohin man auch blickt, finden sich faserverstärkte Kunststoff-Verbundwerkstoffe: Bögen im Bogenschießen, Stäbe beim Stabhochsprung, Rollstühle bei den Paralympischen Spielen, Netzpfosten aus Kohlenstofffasern im Volleyball, Sättel, Hufeisen und Helme im Pferdesport, Zweibeine für Gewehre im Schießsport, Golfschäfte, Boote im Segelsport, Skateboards, Surfbretter und sogar Kletterwände beim Sportklettern – sie alle werden heute aus Verbundwerkstoffen hergestellt.

Wenn die Wettkämpfe vorbei sind

Diese Materialien haben zahlreiche Sportarten verändert. Da Verbundwerkstoffe jedoch aus mehreren miteinander verbundenen Materialien bestehen, lassen sie sich oft nur schwer recyceln.

Im Vereinigten Königreich landen beispielsweise rund 90 Prozent aller Verbundwerkstoffabfälle auf Deponien. Lediglich 2 Prozent werden zur Wiederverwendung von Kohlenstofffasern aufbereitet. Die Herstellung neuer Verbundwerkstoffe benötigt viel Energie.

Weltweit erreichen jährlich etwa 7.000 Tonnen Sportausrüstung aus Verbundwerkstoffen das Ende ihrer Nutzungsdauer und könnten recycelt werden. Die Nachfrage nach Recycling steigt. Dieser Abfallstrom macht inzwischen nahezu 9 Prozent des gesamten Verbundwerkstoffmarkts aus.

Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Verbundwerkstoffe suchten Forschende nach besseren Recyclingverfahren – idealerweise nach Verfahren, die auch wirtschaftlich rentabel sind. Viele Methoden lohnen sich finanziell nicht, doch unsere frühere Kosten-Nutzen-Forschung identifizierte mehrere vielversprechende Ansätze.

In unserer jüngsten Untersuchung haben wir eine dieser Methoden erprobt: das thermochemische Recycling.

Das Recycling von Verbundwerkstoffen ist anspruchsvoll. Ihre Oberflächen werden häufig mit Polymeren oder Harzen beschichtet, um sie haltbarer zu machen. Dadurch wird es jedoch schwieriger, die einzelnen Materialien voneinander zu trennen. Kohlenstofffasern sind der wertvollste Bestandteil dieser Verbundwerkstoffe.

Um Möglichkeiten zur Gewinnung dieser Fasern zu untersuchen, verwendeten wir beschädigte Fahrräder aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen und testeten deren Recycling mit Chemikalien und Hitze.

Durch wiederholte Versuche entwickelten wir hocheffiziente chemische Verfahren zur Vorbehandlung der beschädigten Fahrräder und bestimmten die optimale Schmelztemperatur: 425 °C.

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

Damit eignen sie sich für unterschiedliche Anwendungen, bei denen eine geringfügig niedrigere Festigkeit und Steifigkeit akzeptabel ist.

Zurückgewonnene Kohlenstofffasern können außerdem für den 3D-Druck weiterer Fahrradkomponenten verwendet werden. Sie bieten dabei ein hohes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit und eine erhöhte Haltbarkeit; ebenso können sie in verstärktem Beton eingesetzt werden.

Wie es mit dem Recycling von Sportausrüstung weitergeht

Es ist schwer vorstellbar, dass Athletinnen und Athleten jemals wieder zu der schweren, nicht aerodynamischen Ausrüstung vergangener Zeiten zurückkehren werden. Wenn sich wertvolle Materialien am Ende der Nutzungsdauer von Sportausrüstung kosteneffizient zurückgewinnen lassen, entsteht jedoch ein Anreiz, diesen wachsenden Abfallstrom sinnvoll zu verwerten.

Unser neues Verfahren benötigt weniger Energie als bestehende thermische Recyclingprozesse und erzeugt vergleichsweise umweltfreundliche Abfallnebenprodukte. Dennoch gehen wir davon aus, dass sich das Verfahren noch weiter verbessern lässt, damit es künftig noch weniger Energie verbraucht.

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

Ali Hadigheh, Senior Lecturer für Tragwerksplanung, University of Sydney, und Yaning Wei, Postdoktorandin für Bauingenieurwesen, University of Sydney

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