Elektronikprodukte aus Holz und Papier
Umweltfreundlichere Sensoren, Leiterplatten und andere elektronische Geräte werden von EU-Forschern entwickelt, um die untragbar hohen Mengen an Elektroschrott zu reduzieren.
Um umweltfreundliche Elektronik wie Sensoren und Leiterplatten zu entwickeln, folgt Dr. Valerio Beni buchstäblich der Spur des Papiers.
Beni, ein Experte für umweltfreundliche Chemie am schwedischen Forschungsinstitut RISE, hat seinen Fokus auf Holz aus Zellstoff verlagert, um elektronische Konsumgüter zu schaffen, die keinen CO2-Fußabdruck hinterlassen und leichter zu recyceln sind.
In der Holzbranche
Er und seine Kollegen entdeckten, dass die Herstellung von Zellstoff und dessen Umwandlung in Papier für eine neue Generation von Elektronik zu viel Energie erforderte, um so umweltfreundlich zu sein, wie sie gehofft hatten.
„Also dachten wir, warum gehen wir nicht einen Schritt zurück und wenden uns dem Ausgangsmaterial für die Papierherstellung zu?“, erklärt Beni. „Und das ist Holz.“ Er leitet ein von der EU gefördertes Forschungsprojekt, das Möglichkeiten zur Herstellung von Haushaltselektronik aus holzbasierten Materialien erforscht.
Das Projekt mit dem Namen HyPELignum läuft über vier Jahre bis September 2026 und vereint Forschungseinrichtungen, eine Universität und Industrievertreter aus Österreich, den Niederlanden, Slowenien und Spanien.
Die Lebenszyklen der aktuellen Elektronik sind nicht nachhaltig. Neben der Energie und den Rohstoffen, die für die Produktion benötigt werden, führen die Geräte zu Bergen von Abfall, sobald sie entsorgt werden.
Nach Angaben der Vereinten Nationen wurden im Jahr 2022 weltweit rekordverdächtige 62 Milliarden Tonnen Elektroschrott erzeugt – das sind 7,8 Kilogramm pro Person – wobei Europa mit 17,6 Milliarden Tonnen mehr als jede andere Region produzierte.
Dieser weltweite Berg hat sich von 34 Milliarden Tonnen im Jahr 2010 fast verdoppelt und wird bis 2030 voraussichtlich auf 82 Milliarden Tonnen ansteigen.
Der Elektroschrott wächst nicht nur schnell, sondern ist auch schwierig zu handhaben, so die Vereinten Nationen. Im Jahr 2022 wurden weltweit nur etwa ein Fünftel des Elektroschrotts recycelt, auch wenn Europa mit einer Recyclingquote von etwa 43 % besser abschnitt.
Bessere Leiterplatten
Leiterplatten sind die Hauptkomponente des Elektroschrotts. Bis zu 60 % der Umweltauswirkungen von Elektronikgeräten werden durch die Leiterplatte eines Geräts verursacht, so Beni.
Die Leiterplatten sind eine Schichtmatrix aus Materialien – üblicherweise Harze, Kunststoffe und Kupfer, die schwer zu recyceln sind. Sie werden geätzt, um metallische Schaltungen aufzudrucken, auf die dann elektronische Komponenten gelötet werden können.
Als Alternative entwickelt das HyPELignum-Team zwei Arten von Leiterplatten aus Holz. Eine besteht aus dünnen Holzschichten, ähnlich wie Sperrholz. Die andere wird aus Zellulosefasern hergestellt, die aus Holz und Holzabfällen gewonnen werden.
„Die Idee ist, einige der kohlenstoffintensiven Materialien in der Elektronik durch kohlenstoffarme Materialien zu ersetzen“, sagt Beni. Die Schaltkreise werden mit leitfähigen Metalltinten, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden, auf die Holzplatten gedruckt, also nicht geätzt. Diese Tinten enthalten auch Zellulose und biobasierte Kunststoffe, die aus Holz hergestellt werden.
Am Ende ihrer Lebensdauer sollten die Leiterplatten aus Holz einfacher zu recyceln sein als herkömmliche Leiterplatten. Es könnte sogar möglich sein, sie zu kompostieren.
Neue Schichten
Eine zentrale Herausforderung beim Recycling von Elektronik besteht darin, die Komponenten von den Leiterplatten zu trennen. Um dies zu bewältigen, entwickeln die HyPELignum-Forscher thermisch und chemisch abbaubare Schichten, die zwischen das Holz und die gedruckten Schaltungen gelegt werden können.
Wenn diese am Ende der Lebensdauer eines Produkts zerstört werden, fallen die Schaltungen und elektrischen Komponenten vom Holz ab. Die Leiterplatten aus Holz und die hauptsächlich metallischen Schaltungen und Komponenten können dann in verschiedene Recyclingströme geleitet werden.
Darüber hinaus stammen die abbaubaren Schichten ebenfalls aus Holz. Das Projekt stellt sie aus Lignin her, das aus Holzabfällen gewonnen wird. Eine solche „umweltfreundliche Chemie“ stößt viel weniger Kohlendioxid (CO2) aus, da biogene Materialien verwendet werden, die erneuert werden können, anstatt fossiles Öl zu verwenden, so Beni.
„Holz und biogene Materialien haben in Bezug auf den CO2-Ausstoß so gut wie keinen Einfluss“, sagte er. „Sie absorbieren CO2 zum Wachsen und geben dann die gleiche Menge CO2 bei ihrer Verwendung wieder frei.“
Immer mehr
Der ständig wachsende Appetit der Weltbevölkerung auf digitale Geräte treibt laut Dr. Corne Rentrop, einem Experten für Elektronik und nachhaltige Produktion bei der niederländischen Forschungsorganisation TNO, die Notwendigkeit für umweltfreundlichere Versionen an.
„Wir wollen mehr Daten, wir wollen mehr Konnektivität, wir wollen überall Internet haben, daher wächst die Menge der dafür benötigten Elektronik ständig“, sagt Rentrop. Gleichzeitig sinkt die Lebensdauer der Elektronik. „Wenn Sie sich Ihre elektronischen Geräte ansehen, halten sie vier bis fünf Jahre“, erklärt Rentrop. „Das war es im Grunde.“
Er leitet ein separates, von der EU gefördertes Projekt zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks bei der Produktion elektronischer Geräte und zur Verbesserung des Recyclings. Das Projekt namens ECOTRON läuft über vier Jahre bis August 2026 und umfasst eine Reihe von Teilnehmern aus Belgien, der Tschechischen Republik, Finnland, Frankreich, Italien, den Niederlanden und Spanien.
Flexible Folien
Wie sein HyPELignum-Gegenstück versucht das ECOTRON-Team, herkömmliche Leiterplatten durch solche aus erneuerbaren Materialien zu ersetzen. „Wir können nachhaltiger sein, weil der Prozess weniger Energie erfordert als die Herstellung herkömmlicher Leiterplatten“, erklärt Rentrop. Aber anstatt Holz verwenden er und seine Kollegen flexible Folien aus Materialien wie biobasierten Kunststoffen und Papier.
Am Ende ihrer Lebensdauer könnten bioplastische Leiterplatten geschmolzen, recycelt und vielleicht sogar kompostiert werden. „Kompostierbare Elektronik wäre fantastisch“, sagt Rentrop. „Papier ist natürlich ein kompostierbares Material, aber die Tinten und die elektrischen Komponenten sind es nicht.“
Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelt das Projekt reversible Verbindungen, die aktiviert werden können, um die elektrischen Komponenten freizusetzen.
Unternehmensbeispiele
Die ECOTRON-Forscher nehmen bestehende Produkte und arbeiten daran, sie durch nachhaltigere Elektronik zu ersetzen. Ein finnisches Unternehmen namens Polar Electro, das Geräte zur Überwachung von Fitness und sportlichem Training herstellt, beteiligt sich an einem Projekt zur Herstellung eines Brustgurts, der die Herzfrequenz einer Person misst.
Im Rahmen des Projekts wurde ein vorhandener Polar Electro Brustgurt durch eine biobasierte Version ersetzt, deren Leistung laut Rentrop vergleichbar ist. In Zusammenarbeit mit dem Pharmaunternehmen Johnson & Johnson entwickelt das Team intelligente Aufkleber mit Temperaturmessgeräten für Impfstoffverpackungen.
Das medizinische Personal, das die Impfstoffe verabreicht, kann diese Temperaturdaten mit einem tragbaren Gerät wie einem Smartphone abrufen, um zu überprüfen, ob jede Dosis richtig gelagert wurde. In diesem Fall arbeiten die Forscher mit Papier und stellen Geräte her, die recycelt werden können.
„Wir stellen ein elektronisches Gerät her, das als Papier betrachtet wird“, fügt Rentrop hinzu. „Das ist Recycling durch Design.“
Weitere Infos
Artikel von Michael Allen
Recherchen zu diesem Artikel wurden vom Horizon-Programm der EU gefördert. Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider. Dieser Artikel wurde ursprünglich in Horizon, dem EU-Magazin für Forschung und Innovation, veröffentlicht.