Lasertechnik eröffnet neue Möglichkeiten für die Recyclingbranche
Um wertvolle Rohstoffe in Abfallströmen identifizieren zu können, setzt die Recyclingbranche zunehmend auf die Laser-Emissionsspektroskopie (LIBS). Das innovative Verfahren lässt sich auf alle Materialien anwenden und könnte schon bald wichtige Stoffkreisläufe schließen.
Um kostbare Rohstoffe in Elektroschrott zu sichern, werden Bauteile mit LIBS analysiert.
Foto: Fraunhofer ILT, Aachen.
Die Voraussetzung für erfolgreiches Recycling ohne Qualitätseinbußen liegt in einer effektiven und sortenreinen Trennung der Materialien. Doch genau hier stoßen viele Recycling-Verfahren an ihre technologischen Grenzen. So enthalten Abfallströme eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien, die oft nur schwer voneinander zu trennen und somit zu recyceln sind.
Das Umweltbundesamt bemängelt zudem, dass das stoffliche Recycling häufig zum „Downcycling“ führt, was bedeutet, dass zurückgewonnene Sekundärmaterialien in Anwendungen eingesetzt werden, die nicht ihrem ursprünglichen Wert entsprechen. So wird beispielsweise hochwertiger Autostahl aus Fahrzeugen als Baustahl wiederverwendet. Wertvolles Autoglas endet aufgrund schwer abbaubarer Beschichtungen häufig als Dämmmaterial für Deponien. Und nur 13,5 Prozent der Kunststoffe und 8,3 Prozent des Glases werden überhaupt stofflich verwertet.
Die sortenreine Trennung von Materialien stellt somit eine komplexe technologische Aufgabe dar. Für diese halten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT nun eine Lösung bereit: Die Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), auf Deutsch Laser-Emissionsspektroskopie, ist ein sensorbasiertes Verfahren, das Wertstoffe in Abfallströmen zuverlässig, vollautomatisch und schnell identifizieren kann.
Kunststoffkreisläufe schonen Ressourcen und Klima
Laserbasiertes Verfahren für alle Materialien anwendbar
Die Laser-Emissionsspektroskopie ermöglicht in Echtzeit eine genaue Analyse der chemischen Elemente in Abfallströmen. In dem Verfahren wird ein hochenergetischer Laserpuls auf die Oberfläche des Materials gerichtet, was zur Bildung eines Plasmas führt. Gleichzeitig werden die chemischen Verbindungen des Materials aufgebrochen. Die dabei entstehenden Lichtemissionen lassen sich spektroskopisch analysieren, um so die genaue chemische Zusammensetzung des Materials zu bestimmen. Das Verfahren ermöglicht so eine schnelle und präzise Identifizierung der enthaltenen Metalle, sogar in komplexen Materialgemischen wie Elektroschrott.
„Anhand einer scanner-basierten Auswahl an Messpunkten und rund 100 LIBS-Messungen pro Sekunde können wir sehr schnell zweidimensionale Darstellungen der Elementverteilung erstellen. Auf Basis dieser ortsaufgelösten Analysen gelingt es uns, Technologiemetalle in Elektroschrott aufzuspüren und so beispielsweise wertvolles Tantal aus Kondensatoren in den Wertstoffkreislauf zurückzuführen“, erklärt Cord Fricke-Begemann vom ILT.
Lasertechnik sortiert effizient und schnell
Durch die berührungslose, laserbasierte Echtzeit-Analyse der Materialien, legt die Laser-Emissionsspektroskopie den entscheidenden Grundstein für die sortenreine Trennung vielfältiger Metalllegierungen. Dabei bleiben die Materialeigenschaften vollständig erhalten, was wiederum eine effiziente Wiederverwendung ohne Downcycling ermöglicht.
Neben einer effektiven Trennung von Materialien fördert die Laser-Emissionsspektroskopie einen extrem schnellen Sortierungsprozess. Das spart nicht nur Zeit, sondern auch Geld. „Wir können in kürzerer Zeit viel mehr Schrott verarbeiten als in einer klassischen Handsortierung und erzielen obendrein echte Sortenreinheit“, sagt Fricke-Begemann.
Diese Vorteile hat das Fraunhofer-Institut als Grundlage für ein weiteres Projekt genutzt. In Zusammenarbeit mit der Cronimet Ferroleg GmbH haben sie ein neuartiges Verfahren entwickelt, das die laserbasierte Analyse nutzt, um hochwertige Metalle wie Sonderlegierungen aus verschlissenen Werkzeugen sortenrein zu recyceln. Durch das Zusammenspiel von LIBS und Robotik gelang es den Forschenden die sortenreine Trennung zu automatisieren und zu beschleunigen.
Laser-Verfahren mit KI bergen viele Chancen
Die Laser-Emissionsspektroskopie kann vor allem noch eine Schlüsselrolle beim Recycling von Batterien spielen. Diese enthalten wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Nickel. Das Problem: Bisher gibt es keine technischen Verfahren, die die wertvollen Rohstoffe aus den Anoden und Kathoden der Batteriezelle zurückgewinnen. Die Laser-Emissionsspektroskopie stellt laut den Forschenden einen erprobten Ansatz dar, um die Menge der in Batterien enthaltenden Wertstoffe zu messen und daraus entsprechende Strategien zur Wiedergewinnung ableiten zu können.
Die Kombination von LIBS mit digitalen Technologien wie künstlicher Intelligenz eröffnet der Recyclingbranche zusätzlich neue Möglichkeiten. „Insbesondere der Einsatz von KI ist aufgrund der Vielfalt an Materialien, der aufkommenden Datenmengen und der Geschwindigkeit, in der die Klassifizierung der Materialien im laufenden Prozess erfolgen muss, vielversprechend“, sagt Fricke-Begemann.
In Aachen setzen Forschende bereits auf die innovative Fusion von LIBS-Technologie und 3D-Sensorik, um die genaue Position wertstoffhaltiger Materialien im Raum zu bestimmen. „So wissen wir genau, wohin wir den Laserstrahl lenken müssen, um die Materialbestimmung durchzuführen“, sagt der Fraunhofer ILT-Experte. Der Forschende ist sich sicher, dass das Verfahren bis 2030 noch viel mehr Substanzen erfassen kann. Dennoch bleibe eine geschlossene Kreislaufwirtschaft eine Herkulesaufgabe.
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