Lasertechnik und KI beflügeln die Kreislaufwirtschaft
Die Recyclingbranche setzt zunehmend auf die Laser-Emissionsspektroskopie
(LIBS), um wiederverwendbare Rohstoffe in Abfallströmen zu identifizieren.
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen nimmt bei der
höchst präzisen Technik zur Elementanalyse eine führende Rolle ein und
erweitert die Einsatzmöglichkeiten kontinuierlich.
Die Transformation hin zur Kreislaufwirtschaft ist in vollem Gange. Bei
Rohstoffen wie Aluminium aus Verpackungen oder Papier liegen die
Recyclingquoten bereits über 90 Prozent. Um weitere Stoffkreisläufe
schließen zu können, braucht die Recyclingbranche allerdings
sensorbasierte Verfahren, die Wertstoffe in Abfallströmen
vollautomatisiert, zuverlässig und zugleich mit hohem Tempo und hoher
Differenzierung identifizieren.
Echte Recycling-Quoten immer noch zu gering
Ein grundlegendes Ziel der Kreislaufwirtschaft ist es, wertvolle Rohstoffe
– wenn irgend möglich – ohne Downcycling wiederzuwenden. Die wichtigste
Voraussetzung dafür ist die sortenreine Trennung. Doch exakt hier gibt es
in vielen Fällen noch technologische Lücken. So gilt Deutschland zwar
beispielsweise beim Umsetzen der EG-Altfahrzeug-Richtlinie als vorbildlich
und hält die vorgegebene Recyclingquote für Altfahrzeuge von 95 Prozent
ein; im aktuellen Berichtsjahr (2021) lag sie bei 97,5 Prozent. Allerdings
beinhaltet diese Quote neben dem stofflichen auch das energetische
Recycling - also das Verbrennen von Materialien, die nicht recyclingfähig
sind oder bei denen sich die Rückgewinnungsprozesse bis hin zur
Wiederverwendung nicht rechnen. Energetisch verwertet dienen sie zumindest
noch der Strom- und Wärmeerzeugung.
Von jenen 97,5 Prozent der verwerteten Altfahrzeugmasse konnten nach
Angaben des Umweltbundesamts (UBA) zuletzt 86,6 Prozent stofflich
verwertet werden. Doch auch hier gibt es Verbesserungsbedarf. So bemängelt
das UBA, dass das stoffliche Recycling allzu oft zum »Downcycling« führt:
Zurückgewonnene Sekundärmaterialien kommen in Anwendungen zum Einsatz, die
nicht ihrem ursprünglichen Wert entsprechen. So wird hochwertiger
Autostahl aus Autos oft als Baustahl wiederverwendet. Wertvolles Autoglas
endet aufgrund schwer abtrennbarer Beschichtungen oft als Dämmmaterial
oder Füllmaterial für Deponien. Bei nichtmetallischen Materialien ist das
werterhaltende Recycling eher die Ausnahme: lediglich 13,5 Prozent der
Kunststoffe und 8,3 Prozent des Glases werden laut UBA überhaupt stofflich
verwertet.
Laserbasierte Sensorik hilft, die Stoffkreisläufe zu schließen
Das Fraunhofer ILT hält eine Lösung bereit, die das Recycling erheblich
verbessern und das verlustreiche Downcycling durch hocheffiziente,
zuverlässige und differenzierte Analysen der in Abfallströmen enthaltenen
Wertstoffe minimieren kann: die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy
(LIBS, deutsch Laser-Emissionsspektroskopie) gehört zu den
Schlüsseltechnologien für eine auf tatsächlichen Stoffkreisläufen
basierenden Wirtschaft. Denn die hochgenaue, in Echtzeit mögliche
spektroskopische Bestimmung, welche chemischen Elemente Materialien
enthalten, erlaubt eine differenzierte sortenreine Trennung.
Für die Spektroskopie regt ein hochenergetischer Laserpuls die Oberfläche
des Materials an. Dabei bildet sich ein Plasma, in dem die chemischen
Verbindungen der Elemente des Materials aufgebrochen werden. Der atomare
Fingerabdruck unterscheidet sich bei jedem Material und lässt sich in dem
Moment spektroskopisch auslesen, in dem die Atome wieder in ihren stabilen
Zustand zurückkehren. Denn dabei emittieren sie Licht in spezifischen
Wellenlängen, von denen sich auf das jeweilige Element schließen lässt. In
Sekundenbruchteilen legt LIBS also die exakte chemische Zusammensetzung
des laserangeregten Materials offen. Das berührungslose Verfahren lässt
sich auf alle Materialien anwenden, egal ob es sich um Feststoffe,
Flüssigkeiten oder Gase handelt.
Die Arbeitsgruppe Materialanalytik um Dr. Cord Fricke-Begemann treibt am
Fraunhofer ILT die Entwicklung von Inline-Verfahren auf Basis der LIBS-
Technologie voran, um den Weg zu einer sortenreinen Rückgewinnung von
Metallen aus Müll- und Schrottbergen zu ebnen. »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 der Fraunhofer ILT-
Wissenschaftler.
Aluminium-Recycling: Laser sorgt für höhere Sortenreinheit
Gerade bei komplexen Materialzusammensetzungen – wie im Fall von
Elektroschrott oder Altfahrzeugen – steht und fällt das Eins-zu-eins-
Recycling mit der genauen, fein ortsaufgelösten Bestimmung und Trennung
der einzelnen Materialfraktionen. Denn nur wenn es Recyclingunternehmen
möglich wird, exakte chemische Zusammensetzungen in Echtzeit zu ermitteln
und Abfälle auf dieser Basis zu sortieren, ist eine effiziente
Wiederverwendung ohne Downcycling machbar. LIBS legt durch die
berührungslose, laserbasierte Quasi-Echtzeit-Analyse der Materialien die
Basis für das automatisierte, sortenreine Trennen vielfältiger
Metalllegierungen. Diese erhalten für Anwender ihre produktspezifische
Einsatzfähigkeit – und damit ihren vollen Wert. Das gilt sowohl für
hochwertige Metalle in Elektroschrott wie für Sonderlegierungen im
Werkzeugbau oder die im Automobilbau auf breiter Front eingesetzten
Aluminium-Knetlegierungen.
Die differenzierte Wertstoffanalyse per Laser-Emissionsspektrometrie ist
aber nicht nur die Basis für tatsächlich geschlossene Stoffströme ohne
Downcycling. Darüber hinaus ebnet sie den Weg zu beschleunigten
Sortierprozessen und trägt in Verbindung mit automatisierter
Sortiertechnik zu deren Wirtschaftlichkeit bei. »Wir können in kürzerer
Zeit viel mehr Schrott verarbeiten als in einer klassischen Handsortierung
und erzielen obendrein echte Sortenreinheit«, fasst Fricke-Begemann die
Vorteile zusammen.
Diese hat das Institut mit der Cronimet Ferroleg GmbH aus Karlsruhe im
Förderprojekt PLUS mit Förderung des Bundesministeriums für Bildung und
Forschung (BMBF) zur Grundlage eines neuartigen Verfahrens gemacht, das
die laserbasierte Analyse für eine spezielle Schrottart in Stellung
bringt. »Es handelt sich um verschlissene Werkzeuge zum Bohren, Drehen und
Fräsen, die in Industrie separat gesammelt werden. Unser Projekt hat die
darin verarbeiteten Sonderlegierungen adressiert«, berichtet Fricke-
Begemann. Diese sind aufgrund hoher Kobalt-, Molybdän- und Wolframanteile
wertvoll – und für das sortenreine Recycling besonders interessant. Denn
wirklich sortenrein lassen sie sich wie alle Metalle ohne
Qualitätseinbußen beliebig oft einschmelzen und erneut zu hochwertigen
Zerspanungswerkzeugen verarbeiten. Im Förderprojekt konnten die
Projektpartner den Nachweis dafür erbringen und die Zuverlässigkeit der
LIBS-Analytik unter Beweis stellen. Letztlich gelang es ihnen, die
sortenreine Trennung durch das Zusammenspiel von LIBS und Robotik zu
automatisieren und stark zu beschleunigen. Selbst in winzigen
Schrottteilen identifiziert das spektroskopische Verfahren mehr als 20
unterschiedliche Legierungselemente; der Roboter greift und sortiert sie
entsprechend. Es ist die Blaupause für jenes vollautomatisierte Recycling,
das entscheidend zur Wirtschaftlichkeit von Recyclingprozessen beitragen
kann.
Laser als Detektiv: Wo verstecken sich Lithium, Phosphor und Grafit?
Auch beim Recycling von Batterien, das wegen der Elektrifizierung im
Mobilitätssektor und dem stark zunehmenden hohen stationären
Speicherbedarf unverzichtbar ist, kann LIBS eine Schlüsselrolle spielen.
Seit Herbst 2022 läuft mit ACROBAT ein internationales Projekt, das den
Recyclinganteil von Lithium-Eisenphosphat-Batterie
2030 auf mehr als 90 Prozent der enthaltenen kritischen Rohstoffe steigern
soll. Bislang fehlt es an praktikablen Lösungen, um Rohstoffe wie Lithium,
Phosphor und Grafit aus den Anoden und Kathoden der Batteriezellen
zurückzugewinnen. »Mit LIBS haben wir einen erprobten Ansatz, mit dem wir
jeweils die Menge, Reinheit und Verteilung der enthaltenen Wertstoffe
messen und geeignete Strategien für ihre Wiederaufbereitung daraus
ableiten zu können«, berichtet Fricke-Begemann.
Die gezielte Kombination von LIBS mit digitalen Technologien wie Digitalen
Zwillingen oder Künstlicher Intelligenz (KI) und Machine Learning eröffnet
der Recyclingbranche ganz 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. Zumal absehbar sei, dass die Aufgabenstellungen der
Branche mit der fortschreitenden Transformation hin zur
Kreislaufwirtschaft immer komplexer werden. Um nicht nur in vorsortierten
Industrieabfällen, sondern perspektivisch auch im Hausmüll Wertstoffe für
die Wiederverwertung aufzuspüren und zu sichern, könnte sich die
Kombination von LIBS und KI-Werkzeugen als echter Game-Changer erweisen.
Dies auch, weil entsprechend trainierte KI-Algorithmen in der Lage sind,
Datenströme mehrerer parallel arbeitender optischer Sensoren zu
verarbeiten. Das würde das Tor zu einer hohen Sortiergenauigkeit bei
höchsten Prozessgeschwindigkeiten aufstoßen.
KI und LIBS als Wegbereiter einer echten Kreislaufwirtschaft
Die Fachleute in Aachen nutzen die innovative Kombination der LIBS-
Technologie mit 3D-Sensorik, um die exakte Position und Orientierung
wertstoffhaltiger Materialien im Raum zu bestimmen. »So wissen wir genau,
wohin wir den Laserstrahl lenken müssen, um die Materialbestimmung
durchzuführen«, erläutert der Fraunhofer ILT-Experte. Innerhalb von
Sekundenbruchteilen liegen dann detaillierte Informationen zur Lage,
Qualität und zur exakten chemischen Zusammensetzung der jeweiligen Abfälle
vor. Durch begleitende Regulatorik wie den digitalen Produktpass steigt
künftig die Transparenz über die entlang der oft globalen Lieferketten
eingesetzten Materialien zusätzlich.
Die Transformation hin zur Kreislaufwirtschaft bleibt dennoch eine
Herkulesaufgabe.
»Wir werden 2030 in der Lage sein, sehr viel mehr Substanzen zu erfassen«,
ist sich Fricke-Begemann sicher. Doch ob es bis dahin gelingen wird,
wertvolle Rohstoffe aus Altfahrzeugen, Elektroschrott und anderem
Abfallströmen tatsächlich komplett zu recyceln und die entsprechenden
Stoffkreisläufe zu schließen, sei fraglich. Doch LIBS weise in die
richtige Richtung und könnte sich als Enabler echter Kreislaufprozesse
ohne Downcycling erweisen.
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