Autos im Kreislauf

Auch einen Rücksitz hat das Team der TU Dresden schon nach diesem Prinzip konstruiert. Und gerade entwickelt es gemeinsam mit dem Autohersteller Porsche einen Cockpit-Querträger, an dem unter anderem das Lenkrad und der Beifahrerairbag befestigt sind. „In diesem Projekt setzen wir nicht nur auf Kaskadennutzung, sondern wir verzichten außerdem auf Klebstoffe zwischen Verbundwerkstoff und metallischen Teilen“, berichtet Kupfer. Stattdessen werden die Teile so mit einem Laser vorstrukturiert, dass sie sich regelrecht ineinander verkrallen. „Die Materialien werden also rein mechanisch verbunden statt geklebt und können beim Recycling leicht wieder getrennt werden“, betont der Ingenieur. Andere mechanische Fügetechniken seien Clinchen, Nieten und Schrauben. Und gehe es einmal gar nicht ohne Klebstoff, sollte eine Variante gewählt werden, deren Klebekraft sich beispielsweise durch Wärme oder Ultraschall wieder lösen lässt, meint Kupfer. An solchen innovativen Klebern wird derzeit europaweit mit Hochdruck geforscht.

Das Ziel: geschlossene Kreisläufe

Das Ziel einer zirkularen Wirtschaft formulierte die EU-Kommission bereits vor drei Jahren im Rahmen des „Green Deal“. Nur mit möglichst geschlossenen Stoffkreisläufen lassen sich danach die Klimaneutralität bis 2050 erreichen, die Natur erhalten und die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit stärken. Derzeit würden nur rund zwölf Prozent gebrauchter Rohstoffe wieder in die Wirtschaft zurückgeführt, moniert die EU-Kommission.

Dass die Ingenieure diese Quote ausgerechnet durch Faserverbundwerkstoffe steigern wollen, mag auf den ersten Blick seltsam erscheinen. Schließlich sind Fasern und Kunststoffe oft gut verklebt und, wenn überhaupt, nur mithilfe aggressiver Chemikalien voneinander zu trennen. Allerdings lassen sich auch Metalle wie Stahl oder Aluminium, die oft in verschiedenen Legierungen in einem Auto stecken, in der Regel nur unter Qualitätsverlust „downcyceln“. Außerdem ist dazu ein erheblicher Energieaufwand nötig, denn die Metalle müssen dafür eingeschmolzen werden. Welches Material aus Kreislaufsicht am besten ist, müsse immer im Einzelfall entschieden werden, betont der Ingenieur. „Und ganz gleich, ob Kunststoff oder Metall: Je weniger verschiedene Varianten davon in einem Bauteil stecken, desto höher ist die Qualität der Rezyklate.“

Für ihre Arbeit in Sachen Kreislaufwirtschaft orientieren sich die Dresdner Forscher an zehn Strategien, die 2017 von der niederländischen Umweltbehörde veröffentlicht wurden. Zu den einflussreichsten Strategien, die im Englischen alle mit R beginnen, zählt danach etwa, Dinge neu zu denken, „Rethink“: zum Beispiel ein Konzept, Autos zu teilen, sodass statt etwa für drei Familien statt drei Autos nur eines produziert werden muss. Auch Reparieren, „Repair“, oder das Wiederverwenden, „Reuse“, seien wirkungsvolle Maßnahmen, ebenso das Reduzieren, „Reduce“. Das ist in der Branche der klassische Leichtbauansatz: Masse reduzieren, leichter bauen.

Analyse bis auf Mikroebene

Diesen Ansatz will das Team in einer luftigen Werkhalle des Instituts perfektionieren. „Unser Ziel ist es, die Werkstoffe möglichst gut zu kennen und zu beschreiben, um die Sicherheitsfaktoren zu minimieren und dementsprechend weniger Werkstoff in die Strukturen einbringen zu müssen“, erklärt Kupfer. „Das geht los auf der Mikroebene. Da schauen wir: Wie interagieren Fasern und Kunststoff? Wie entstehen die Risse, wie breiten sie sich aus?“

Auf drei Etagen und Hunderten Quadratmetern traktieren die Ingenieure kreislauftaugliche Werkstoffe und solche aus Recyclingmaterial dazu mit allerlei Maschinen. Sie drücken, ziehen und reißen daran. Wie sich die Materialien verändern, beobachten sie mit Sensoren und Kameras. Und mit Mikrofonen belauschen sie, wann Fasern in den Verbundwerkstoffen reißen. Kupfers Liebling ist ein Gerät, das man eher in einem Krankenhaus vermuten würde: ein Computertomograf. „Aber es ist ein spezieller Tomograf, den wir mit einer Prüfmaschine verheiratet haben“, stellt der Dresdner Forscher fest. „Darin prüfen wir zum Beispiel gerade mechanische Fügeverbindungen.“ Die spannen die Ingenieure ein, ziehen schrittweise daran und nehmen jedes Mal ein dreidimensionales Bild auf. Am Ende ergibt sich daraus eine Art 3D-Daumenkino, an dem sich sehr genau erkennen lässt, wie sich der Werkstoff im Inneren verformt, wie vielleicht Risse entstehen oder ob und wie sich Oberflächen ablösen.

Mit diesen Methoden testet das Team Bauteile unterschiedlicher Art. „Alle haben wir selbst gefertigt“, wie Kupfer betont, in verschiedenen Dimensionen: vom fingernagelkleinen Probekörper bis zum schrankgroßen Prototyp. Diese Transferschritte erfordern zwischendurch immer noch mal eine Validierung. Funktioniert das tatsächlich so, wie es die Forscher vermutet haben? Lässt sich das von der Mikro- auf die Makroebene übertragen? Dies ist auch eine Frage der mathematischen Modelle, die mithilfe der Daten aus den Prüfmaschinen immer wieder optimiert werden müssten.

Weg vom Mischmüll

Allerdings: Für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft müssen sich laut Kupfer nicht nur Werkstoffkonzepte ändern, sondern auch Geschäftsmodelle. Helfen könnten zum Beispiel Rücknahmesysteme der Hersteller. Dann hat man am Ende nicht einen Haufen Mischmüll, sondern zum Beispiel ein Batteriegehäuse, von dem genau bekannt ist: Welcher Werkstoff ist darin verbaut worden? Wie wurde er verarbeitet? Und wie lange war er in Gebrauch? „Mit diesem Wissen lässt sich ein qualitativ besseres neues Produkt herstellen, und die Wiederaufarbeitung verbraucht viel weniger Energie und Ressourcen“, betont Kupfer.

Zudem sollte die Wirtschaft schon jetzt Materialverluste im Visier haben, die beim Wiederaufarbeiten unvermeidbar sind. „Eine Schraube geht immer verloren“, scherzt Kupfer. Tatsächlich bleiben bei fast jedem Recyclingschritt Material und Qualität auf der Strecke. Die Fasern der Verbundwerkstoffe werden immer kürzer, und mit ihnen schrumpft die Festigkeit des Verbundmaterials. Kunststoffgranulate wiederum können in den Recyclinganlagen hängen bleiben oder beim Transport abhandenkommen. Geht es nach Kupfer, sollten solche Materiallücken künftig mit Kunststoff und frischen Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen gestopft werden.

Interdisziplinärer Austausch gefragt

Nicht zuletzt müssen die Akteure sämtlicher beteiligten Branchen zusammengebracht werden, um das Ziel Kreislaufwirtschaft zu erreichen: Müllsammler, Wiederaufbereiter, Fahrzeugbauer. „Das ist eine zutiefst interdisziplinäre Angelegenheit“, betont Thomas Vietor vom NFF Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik in Braunschweig: Vietor lehrt als Professor an der dortigen Universität und ist ein Mann der Praxis. Rund 15 Jahre lang arbeitete er als Entwicklungsingenieur bei Ford. „Ich habe neulich zum ersten Mal ein Recyclingunternehmen besucht und gesehen, wie die Aufbereitung dort funktioniert. So ein Austausch müsste viel häufiger stattfinden“, sagt er.

Vietors Team setzt wie die Dresdner Forscher auf das Recycling von Faserverbundwerkstoffen. „Doch bei diesen Recyclingmaterialien haben wir zurzeit noch zwei Herausforderungen: Sie sind wegen der hohen Nachfrage sehr teuer, und ihre Qualität kann stark schwanken“, sagt der Braunschweiger Wissenschaftler. Das Problem der Qualitätsunsicherheiten will sein Team mithilfe von Bits und Bytes entschärfen. „Unser Ziel ist, mithilfe von maschinellem Lernen und Künstlicher Intelligenz mit weniger Experimenten auszukommen und digitale Materialkarten innerhalb von wenigen Sekunden zu erzeugen“, erklärt Vietors Mitarbeiter Paul Falkenberg. Der klassische Prozess nehme hingegen mehrere Tage Rechenzeit in Anspruch.

Außerdem will das Team in ein paar Jahren eine recycelbare Bodengruppe für ein Elektrofahrzeug präsentieren, die alle wesentlichen Komponenten für den Antrieb enthält: die Batterie, Kabelstränge und die Elektromotoren an den Rädern. Statt wie üblich aus Stahl soll sie aus einer faserverstärkten Kunststoffart gefertigt werden, die Fachleute als Thermoplaste bezeichnen und die bei moderaten Temperaturen aufgeschmolzen werden kann. „Die thermoplastische Matrix muss also nicht verbrannt werden, um die Fasern zurückzugewinnen“, erläutert Thomas Vietor. Laufe alles nach Plan, werde die CO2-Bilanz dieser Bodengruppe über den gesamten Lebenszyklus um gut 20 Prozent niedriger ausfallen als für die gängige Variante aus Stahl. „Wenn uns das gelingt, wäre es schon ein Riesenschritt“, betont der Ingenieur. Dieses Projekt soll Zulieferbetrieben zeigen, dass das Konzept der Forscher bei einem so essenziellen Bauteil funktioniert. Dann, so die Botschaft, könne es in die Praxis und auch für andere Bauteile umgesetzt werden.

In der Industrie noch außen vor

Der Weg, bis die Ideen zur Kreislaufwirtschaft in der Automobilbranche Einzug in die Praxis halten, ist noch weit. Darin sind sich die Forscher aus Braunschweig und Dresden einig. Vorgaben zum recyclinggerechten Design tauchen derzeit weder in den abzuarbeitenden „Lastenheften“ der Entwicklungsingenieure auf noch im virtuellen Werkzeugkasten der Konstrukteure. Die nötigen Strategien würden in der Automobilbranche bisher bestenfalls auf Konzeptebene diskutiert, moniert Robert Kupfer. „In der praktischen Arbeit von Ingenieuren spielen sie häufig noch gar keine Rolle.“

Umdenken ist auch in anderen Branchen nötig. Das zurzeit übliche Recycling à la Wertstofftonne etwa belegt im niederländischen Ranking der Kreislaufstrategien gerade einmal den vorletzten Platz. Noch schlechter schneidet nur das Verbrennen ab. „Trotzdem ist Recycling gerade das Thema, über das alle im Kunststoffbereich reden“, wundert sich Kupfer. „Im Grunde fußt es aber noch auf der linearen Art zu denken: Produzieren, nutzen und weg damit. Dabei gibt es dazwischen viele andere Möglichkeiten, einen Werkstoff zu erhalten.“ Noch besser wäre es aber, man stellte ihn gar nicht erst her. „Refuse“, also: verweigern, steht auf der Liste der Kreislaufwirtschaftsstrategien ganz oben, wie Kupfer betont: „Das ist die mächtigste Strategie.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…