Ist Carbon nachhaltig? (+ 5 Fakten zu seiner Nachhaltigkeit)

Tobias Durant

Egal ob in der Luftfahrt, der Automobilbranche oder im Sportbereich – überall dort, wo es auf maximale Belastbarkeit bei geringem Gewicht ankommt, ist Carbon allgegenwärtig.

Der Verbund-Werkstoff ist zwar noch relativ jung, aber bereits jetzt unverzichtbar in vielen Bereichen.

Doch Carbon hat auch seine Schattenseiten:

Hoher Energieverbrauch in der Produktion, ungelöste Entsorgungsfragen und ein Recycling, das erst langsam anläuft, gehören zu den Problemen aus ökologischer Sicht.

In diesem Artikel gehen wir der Frage auf den Grund, wie nachhaltig Carbon wirklich ist, ob sich die Umweltbilanz in Zukunft verbessern wird und welche Alternativen es zu diesem superleichten Werkstoff gibt.

Was genau ist Carbon?

Carbon ist die Kurzbezeichnung für kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff – auch Kohlefaser oder CFK genannt.

Wie der Name schon sagt, besteht Carbon zu einem Teil aus Kohlenstoff-Fasern.

Diese befinden sich in einer Matrix aus Kunstharz, die die Fasern verbindet und Hohlräume ausfüllt.

Für die Matrix kommt meistens Epoxidharz zum Einsatz, das sich durch seine Belastbarkeit und Hitzebeständigkeit auszeichnet.

Der Rahmen verhindert auch, dass sich die Kohlenstoff-Fasern gegeneinander verschieben.

Wofür wird Carbon verwendet?

Da der Werkstoff eine viermal geringere Dichte als Stahl aufweist, ist er sehr leicht.

Gleichzeitig zeichnet er sich durch eine hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit aus.

Das heißt, dass sich das Material unter Belastung nur minimal verformt.

Carbon ist zehnmal stärker als Stahl und achtmal stärker als Aluminium.

Gleichzeitig ist Carbon äußerst lange haltbar und, anders als viele Metalle, unempfindlich gegen Korrosion.

Aus diesen Gründen kommt Carbon überall zum Einsatz, wo hohe Belastungen absorbiert werden müssen und gleichzeitig jedes Gramm Gewicht zählt: beispielsweise im Fahrzeugbau, der Luftfahrt oder zur Verstärkung von Bauwerken. 

Auch Windkraft-Turbinen wären ohne diesen modernen Werkstoff nicht denkbar.

Ebenso wird Carbon im Sportbereich verwendet: etwa für Mountainbike-Rahmen, Tennisschläger, Pfeile, Wanderstöcke, Angelruten oder Flugzeug-Modelle.

Ist Carbon umweltfreundlich?

Wie der Name schon sagt, besteht Carbon (zum Teil) aus Kohlenstoff – einem natürlichen Element, das zu 0,04 % in unserer Atmosphäre enthalten ist und das sechst-häufigste Element im Universum darstellt.

Kohlenstoff steckt in vielen Produkten: von Holzkohle bis zu Diamanten. Und auch unser menschlicher Körper besteht zu 12 % aus diesem Allround-Element.

Diese „Natürlichkeit“ soll jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass der für Carbon verwendete Kohlenstoff aus Erdöl gewonnen wird.

Damit verbunden sind alle Umweltschäden, die bei der Förderung dieser nicht erneuerbaren Ressource anfallen.

Carbon ist ein Verbund-Werkstoff. Das heißt, neben Kohlenstoff besteht er noch aus Kunststoffen: allen voran Epoxidharz, das ebenfalls aus Erdöl hergestellt wird. Der Anteil beträgt für gewöhnlich etwa 10–40 %.

Epoxidharz hat nicht nur schädliche Auswirkungen auf die Umwelt, da es aus Erdöl besteht und mit schwer zu entsorgenden Chemikalien angereichert wird.

Bei falscher Verarbeitung kann das Material auch die Gesundheit schädigen.

Doch nicht nur die Ausgangsmaterialien von Carbon stellen eine Belastung für unseren Planeten dar. Auch die Produktion ist mit Umweltschäden verbunden.

Ist die Herstellung von Carbon nachhaltig?

Die Herstellung von Carbon ist vor allem eins: energieaufwändig.

Kein Wunder – um das organische Ausgangsmaterial in Fasern umzuwandeln, sind Temperaturen von bis zu 1.000°C nötig.

Natürlich kommt es bei der Frage nach der Nachhaltigkeit immer darauf an, mit welchem Werkstoff man Carbon vergleicht:

Stellt man es dem Metall Aluminium gegenüber, fällt die Bilanz durchaus positiv aus: Carbon benötigt weniger Energie in der Herstellung.

Außerdem fallen im Vergleich zu Aluminium weniger schädliche Emissionen und Abfallprodukte an.

Betrachtet man jedoch traditionellen Stahl, ist der Energieverbrauch von CFK mit 50-prozentigem Kohlenstoffanteil ganze 16 Mal höher. Untrennbar damit verbunden sind hohe CO2-Emissionen.

Für die Nachhaltigkeit spielt es auch eine Rolle, wo das Carbon hergestellt wird:

Fahrradrahmen werden beispielsweise überwiegend in asiatischen Ländern produziert, die nicht dieselben ökologischen Standards aufweisen wie Deutschland – etwa China oder Vietnam. Das betrifft sowohl die Produktion als auch die Entsorgung.

Problematisch ist es etwa, wenn Carbon-Abfälle nicht recycelt, sondern im Ozean entsorgt werden.

Auch um die soziale Nachhaltigkeit ist es bei der Carbon-Herstellung nicht immer gut bestellt – vor allem in Ländern, die beim Arbeitsschutz Defizite aufweisen.

Bei der Verarbeitung des Materials entsteht Staub, der ohne Absaugvorrichtungen und Schutzkleidung zu Gesundheitsschäden führen kann.

Wird das Material erhitzt, gehen Experten sogar von einer erhöhten Krebsgefahr aus.

Die positiven Seiten von Carbon

Allerdings gibt es auch ökologische Gründe, die für die Verwendung von Carbon sprechen.

Da der Werkstoff so leicht ist, kann Carbon eingesetzt werden, um bei Flugzeugen Gewicht einzusparen.

Weniger Gewicht bedeutet weniger Kerosinverbrauch – und damit weniger CO2-Emissionen. Dasselbe Prinzip lässt sich für Fahrzeuge mit Carbon-Rahmen nutzen.

Ein weiterer Vorteil ist die lange Lebensdauer von Carbon.

Bauteile aus diesem Material sind äußerst resistent gegen Materialermüdung, Hitze, Witterung, Chemikalien, Salzwasser und Säuren.

Sie lassen sich nahezu unbegrenzt lange nutzen – außer die Belastung ist zu hoch. Dann bricht das spröde Material und kann kaum noch repariert werden.

5 Fakten zur Nachhaltigkeit von Carbon

Folgende Zahlen und Fakten sprechen gegen die Nachhaltigkeit von Carbon

1. Schätzungen zufolge werden bei der Herstellung von einer Tonne Carbon ganze 20.000 Tonnen CO2 ausgestoßen. Das entspricht dem jährlichen CO2-Ausstoß von 2.500 Bundesbürgern.

2. Experten gehen davon aus, dass bei der Herstellung 10–30 % des Carbons durch Fehlproduktion verloren gehen, also entweder recycelt oder entsorgt werden müssen.

3. 3.000 Tonnen CFK-Abfälle fallen jedes Jahr in Deutschland an – Tendenz steigend. Demgegenüber stehen 870 Tonnen Carbonfaser-Abfälle, die ohne weitere Aufbereitung wieder verwendet werden können.

Es gibt auch Zahlen und Fakten, die für die Nachhaltigkeit von Carbon sprechen:

4. Flugzeuge, deren Treibstoff-Tanks aus Carbon bestehen, können in 10 Jahren bis zu 1.400 Tonnen CO2 einsparen.

5. Bei Autos mit Carbon-Rahmen sind es 50 Tonnen CO2 im gleichen Zeitraum.

Wie kann man Carbon entsorgen?

Mit der wachsenden Zahl an Produkten aus Carbon wird die Frage nach der Entsorgung immer wichtiger.

Dabei landen nicht nur ausgediente Sportgeräte im Müll. Das Umweltbundesamt rechnet ab 2030 mit vermehrten Carbon-Abfällen durch ausgediente Windkraft-Rotoren.

Die schlechte Nachricht: Carbon ist nicht für die Mülldeponie geeignet, da es zu mehr als 5 % aus organischem Material besteht.

Solange der Kohlenstoff mit anderen Bestandteilen verbunden ist und nicht verrottet, fällt die Endlagerung also weg.

Auch eine Verwertung in Müllverbrennungsanlagen ist ausgeschlossen, da Carbonfasern nicht vollständig verbrennen.

Außerdem können die kleinen Partikel in den Filteranlagen für Kurzschlüsse sorgen.

Im Grunde ist der Werkstoff auch viel zu kostbar, um ihn achtlos wegzuwerfen.

Darum kommt dem Carbon-Recycling eine immer größere Bedeutung zu.

Ist Carbon recycelbar?

Carbon ist ein relativ junger Werkstoff. Dementsprechend steht das Recycling noch ganz am Anfang.

Carbon wiederzuverwenden wird jedoch in Zukunft immer wichtiger werden: nicht nur aus Umweltgründen, sondern auch um das Material günstiger zu machen.

Bisher werden vor allem Produktionsabfälle recycelt. Doch damit Carbon nachhaltiger wird, sollen zukünftig auch ganze Bauteile einer neuen Verwendung zugeführt werden.

Dabei zeigt Carbon einen entscheidenden Nachteil: Während Aluminium relativ einfach eingeschmolzen werden kann, ist es sehr schwierig, die einzelnen Bestandteile von Carbon nachträglich zu trennen.

Um Carbon zu recyceln, muss es erst geschreddert werden. Die so gewonnen Pellets können im Straßenbau verwendet werden.

Da die Fasern extrem verkürzt werden, sind sie jedoch nicht für Bauteile geeignet, bei denen es auf hohe Belastbarkeit ankommt.

Mache Recycling-Unternehmen gehen heute einen Schritt weiter:

Dort kommt das Granulat in einen sog. Pyrolyseofen, in dem es bei etwa 1.000° C verbrannt wird.

So bleibt der reine Kohlenstoff übrig, während das Kunstharz in Gas umgewandelt und thermisch verarbeitet wird.

Im Idealfall, also wenn der Pyrolyseofen genug Nachschub erhält, treiben die Gase den Verbrennungsprozess an. Es ist also keine Energiezufuhr von außen nötig.

Am Ende des Recyclings bleiben reine Carbonfasern, die zu Vliesen und Füllmaterial verarbeitet werden können.

Auch Laptop- und Handy-Hüllen sowie Haushaltsgegenstände lassen sich aus recyceltem Carbon herstellen.

Für Strukturteile wie Fahrradrahmen oder Flugzeug-Flügel ist das Material jedoch nicht mehr geeignet.

Beim Schreddern verliert der Verbundstoff nämlich seine langen Fasern, die ihn so belastbar machen.

Wie ausgeklügelt das Recycling auch sein mag: Ewig lassen sich Produkte aus Carbon nicht verwerten.

Bei jedem Durchgang wird die Qualität der Fasern schlechter, sodass sich die Frage nach der Entsorgung weiterhin stellt.

Ist Carbon biologisch abbaubar?

Genau wie bei vielen anderen Kunststoffen lautet die Antwort: Nein.

Gerade die lange Haltbarkeit, die Carbon so interessant für Konsumenten macht, sorgt dafür, dass sich das Material nur sehr langsam abbaut.

Das ist besonders problematisch, wenn Carbon in unseren Weltmeeren landet.

Dort bleibt es auf dem Meeresboden liegen und stört dieses empfindliche Ökosystem.

Oder Tiere fressen die kleineren Carbonteile und erkranken an den Fremdkörpern.

Diese Umweltprobleme machen die Frage nach dem Carbon-Recycling umso dringender.

Gibt es nachhaltigere Alternativen zu Carbon?

Derzeit gibt es kein vergleichbares Material, das die Belastbarkeit und das niedrige Gewicht von Carbon aufweist.

Aluminium

Aluminium kommt dem Verbundstoff noch am nächsten – kein Wunder also, dass es ähnlich oft für Fahrräder verwendet wird.

Aluminium besticht durch sein leichtes Gewicht, ist jedoch trotzdem schwerer als CFK.

Außerdem kann das Material nicht mit der Festigkeit von Carbon mithalten: Aluminium verbiegt sich wesentlich leichter, was nicht in allen Anwendungsbereichen von Vorteil ist.

Ohnehin erscheint es aber fraglich, ob Aluminium so viel nachhaltiger ist als Carbon.

Zwar hat das Leichtmetall beim Recycling die Nase vorn, da es sich einfach einschmelzen lässt.

Doch die Produktion von Aluminium ist mit zahlreichen Umweltproblemen verbunden, die wir in diesem Artikel aufzeigen.

Holz

Für Skistöcke, Angelruten, Tennisschläger und andere Sportgeräte gibt es schon lange eine Alternative, die mit positiver Ökobilanz punktet: Holz.

Dieses Naturmaterial ist ähnlich leicht und fest wie Carbon, sodass neuerdings sogar Fahrradrahmen daraus hergestellt werden.

Doch natürlich hat der Einsatz von Holz auch seine Grenzen – und zwar überall dort, wo Extrembedingungen herrschen.

Zu anfällig zeigt sich das Material gegenüber Witterung, Feuchtigkeit, Salznebel, aber auch Schädlingen.

Die Lösung könnte speziell behandeltes Holz darstellen, das 12 Mal stärker ist als gewöhnliches Holz.

Dieses „Super-Holz“ kann der Wucht einer Pistolenkugel standhalten und soll sogar für den Flugzeugbau geeignet sein.

Jedoch kommen bei der Herstellung giftige Chemikalien wie Natriumhydroxid zum Einsatz, was die Umwelt-Bilanz trübt.

Mit dem Holz aus unseren Wäldern hat dieses Material nur noch wenig zu tun.

Pflanzenfasern

Aus diesem Grund gehen viele Ingenieure einen anderen Weg:

Statt Carbon ganz zu ersetzen, wollen sie eine neue Quelle für den benötigten Kohlenstoff finden. Dieser soll zukünftig nicht mehr aus dem Erdöl, sondern aus Pflanzen stammen.

Für belastbare Teile stellt pflanzliches Carbon jedoch noch keine Alternative dar, da es nicht die gewünschte Steifigkeit aufweist. 

Darum arbeiten Wissenschaftler an Hochleistungs-Öfen, die die Pflanzenfasern mit Temperaturen von bis zu 2900° C festigen. 

Die Forschung steckt bisher noch in den Kinderschuhen – genau wie Versuche, Carbon aus Algen zu gewinnen, die CO2 speichern können.

Es muss jedoch nicht immer Carbon sein.

Bereits jetzt experimentieren Forscher im Motorsport-Bereich mit Verbundstoffen aus Flachs-Fasern, die den CO2-Ausstoß um die Hälfte reduzieren.

Und auch für Passagiere hat das Material einen Vorteil: Anders als Carbon splittert es bei einem Aufprall nicht in gefährliche Kleinteile.

Der Nachteil: Diese Verbundstoffe sind 40 % schwerer als ihre Gegenstücke aus Kohlenstoff.

Und auch bei der Elastizität hat die pflanzliche Alternative das Nachsehen. Für Teile, die hohe Belastungen aushalten müssen, stellt es bis jetzt keine Option dar.

Fazit

Solange der Trend zum Ultraleichtbau in Branchen wie der Luftfahrt, dem Fahrzeugbau und dem Sportbereich anhält, wird Carbon unser stetiger Begleiter sein.

Das ist einerseits positiv zu bewerten, da der Werkstoff mit seinem geringen Gewicht und seiner langen Haltbarkeit ökologische Vorteile bietet.

Der hohe Energieverbrauch und die Abhängigkeit vom Erdöl stellen jedoch ein Problem dar.

Außerdem verbleibt die Frage der Entsorgung und des Recyclings.

Wie nachhaltig unser Carbon in Zukunft sein wird, dürfte vor allem vom Anteil des wiederverwendeten Materials abhängen.

Bereits jetzt macht das Carbon-Recycling schnelle Fortschritte.

Ließe sich damit ein Werkstoff kreieren, der die gleichen Eigenschaften aufweist wie neues Carbon, wäre das ein großer Schritt in Richtung Nachhaltigkeit.

Gleichzeitig zeigen pflanzliche Verbundstoffe, auch wenn diese noch am Anfang stehen, großes Potenzial bei der Reduktion von CO2-Emissionen.

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