powderLAS

Nachhaltige Glaskeramikkochfelder durch Polymerprozesstechnik

PowderLAS erforscht ein neues, ressourceneffizientes Herstellungsverfahren für Lithium-Aluminosilikat-Glaskeramiken. Ziel ist es, Recycling zu ermöglichen und gleichzeitig neue, komplexe Bauteilgeometrien zu realisieren. Damit sollen Materialverbrauch, Energieeinsatz und die Abhängigkeit von Lithium reduziert werden.

Lithium ist als Kernbestandteil moderner Batteriesysteme, beispielsweise in der Elektromobilität, unverzichtbar. Seit einigen Jahren sind Batteriehersteller die weltweit größten Lithiumverbraucher. Neben den Energiespeichern wird Lithium heute allerdings als essenzieller Bestandteil in anderen Wirtschaftszweigen ebenfalls benötigt. Es ist noch nicht lange her, dass eine gänzlich andere Branche Hauptabnehmer dieses Rohstoffes war – die Glaskeramikindustrie. Auch wenn diese in der medialen Wahrnehmung bei weitem nicht so präsent ist wie die Elektromobilitätsbranche, so ist der weltweite Bedarf an Lithiumrohstoffen (Lithiumcarbonat, Li₂CO₃ und Lithiumhydroxid, LiOH) für Haushaltsprodukte, wie glaskeramische Kochfelder und Ofenverglasungen signifikant. Für jedes Standardkochfeld mit den Abmessungen 60 x 60 x 0,4 cm^³ werden mehr als 300 g Li₂CO₃ verbraucht. In Deutschland gibt es schätzungsweise 41 Millionen Haushalte, in fast jedem davon existiert ein Herd, viele mit einem glaskeramischen Kochfeld. Nimmt man eine durchschnittliche Lebensdauer von 15 Jahren an, so ergibt sich ein jährlicher Bedarf an Lithiumrohstoffen von knapp 900 t, um allein den bereits gesättigten deutschen Markt mit Nachschub für verschlissene oder defekte Kochplatten zu versorgen. Bedenkt man zusätzlich, dass Kochfelder heute zum Teil deutlich größer ausfallen, so stellt dieser Wert eher die untere Grenze dar. Der Bedarf für noch nicht gesättigte Märkte ist entsprechend höher. Allein im Jahr 2021 erreichte der Absatz von in Deutschland produzierten Kochfeldern ca. 200 Mio. Einheiten. Dafür waren rund 65.000 t Li-Rohstoffe notwendig. Dabei erfolgt die Materialherstellung durch energieintensives Aufschmelzen der Rohstoffe bei ca. 1600 bis 1650 °C, wobei CO₂ durch die Zersetzungsreaktion von Li₂CO₃ zu Li2O freigesetzt wird, Das ist in Zeiten fortschreitender CO₂-Emissionsbepreisung nicht nur ein umwelt-, sondern zunehmend ein Kostenfaktor. Am eigentlichen Herstellungsprozess hat sich dabei seit Jahrzehnten nichts Grundlegendes verändert. Nach dem Schmelzen erfolgt die Formgebung des zusammensetzungsseitig extrem ausbalancierten Ausgangsglases durch Gießen bzw. Walzen und anschließende Wärmebehandlung (Keramisierung). Dadurch sind die Formen auf Platten einheitlicher Dicke (ca. 4 mm) beschränkt. Derzeit werden glaskeramische Kochfelder nicht recycelt, da diese für ein erneutes Einschmelzen für die Glasherstellung sortenrein sein müssten. Auch wenn es weltweit nur eine Handvoll Glaskeramikhersteller gibt, ist die Gefahr der Verunreinigung zu hoch für die notwendige Glasqualität. Aufgrund der weltweiten anhaltend hohen Nachfrage, werden vermehrt Bemühungen unternommen, lithiumhaltige Glaskeramiken zu recyclen. Um Glaskeramiken in großem Stil zu recyclen fehlen allerdings aktuell noch die gesetzlichen Rahmenbedingungen und, bedingt durch die geringe mediale Aufmerksamkeit, schlüssige Konzepte, wie ein vollwertiges Recycling dieser Materialien gelingen kann.

Zusammenfassend muss somit festgestellt werden, dass die aktuellen Fertigungsmethoden für Glaskeramiken hohe Mengen an Lithium für die Produktion von Kochfeldern erfordern. Diese werden prozessbedingt weder recycelt noch können andere Geometrien als einfaches Plattenmaterial daraus geformt werden, weshalb Kochfelder heute im Wesentlichen eben sind. Eine Methode, dieses Material 1. zu recyclen und 2. in komplexeren Formen als nur ebenen Platten herzustellen, würde somit nicht nur ein ernstzunehmendes Ressourcen- und Abfallproblem lösen, sondern dem Markt auch neue Möglichkeiten der Produktgestaltung eröffnen.

An dieser Stelle setzt powderLAS an: Es soll ein gänzlich neues Fertigungsverfahren für die Herstellung von Glaskeramiken zum Einsatz kommen, welches Recycling und eine Reduzierung des Rohstoffeinsatzes erlaubt und dabei neue Möglichkeiten bei der Designfreiheit zulässt. Im Zentrum der Arbeit stehen dabei Lithiumaluminosilikate (LAS), welche die Grundlage glaskeramischer Kochfelder bilden. LAS-Glaskeramiken sind in hohem Maße thermomechanisch stabil und können Temperaturschocks von bis zu 1000 °C standhalten. Die dominante kristalline Phase in LAS-Glaskeramiken (Hochquarz-Mischkristall), weist einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf. Dieser negative CTE steht im Gegensatz zum positiven CTE der verbleibenden Glasphase. Durch gezielte Einstellung der Phasenverhältnisse kann der thermische Ausdehnungskoeffizient einer LAS-Glaskeramik in einem weiten Bereich angepasst werden. Häufig werden sehr niedrige bzw. nahe-Null CTEs erreicht, was dieses Materialsystem für viele Anwendungen mit hoher thermischer Wechselbelastung extrem interessant macht.

Das zu entwickelnde Verfahren soll es nun ermöglichen, dieses wirtschaftlich hochrelevante, glaskeramische Materialsystem mit modernen Methoden der Kunststoffprozesstechnologie herzustellen, um somit eine nahezu unbeschränkte Designfreiheit für glaskeramische Komponenten zu ermöglichen. Das Verfahren beruht auf einem pulverbasierten Ansatz, der unlängst für die Strukturierung von Glas entwickelt und unter dem Begriff Glassomer®-Technologie in Deutschland entwickelt und zur Marktreife gebracht wurde.