Ein aktueller Bericht der Vereinten Nationen ergab, dass der Planet im Jahr 2022 rund 60 Milliarden Kilogramm Elektroschadstoff produzierte, was einem Anstieg von 82 % im Vergleich zu 2010 entspricht. Dennoch wurde weniger als ein Viertel dieser Verschmutzung recycelt. Und zu den vielen Hindernissen, die uns bei der Verbesserung dieser Bilanz im Weg stehen, gehört der Mangel an ausreichenden Mitteln zum Recycling der gedruckten Schaltkreise, die in fast allen elektronischen Geräten zu finden sind; Ein Forscherteam will dieses Problem beheben.
Diese gedruckten Schaltkreise, auf denen Chips, Transistoren und andere Komponenten verbaut sind, bestehen meist aus dünnen Glasfaserschichten, die mit Kunststoff überzogen und mit Kupfer verbunden sind.
Dieser Kunststoff lässt sich nur schwer vom Glas trennen, weshalb gedruckte Schaltkreise oft auf Mülldeponien landen, wo die Chemikalien, aus denen sie bestehen, in der Umwelt verrotten können.
In anderen Fällen werden sie verbrannt, um die darin enthaltenen Edelmetalle wie Gold und Kupfer zurückzugewinnen. Diese in Entwicklungsländern häufig durchgeführte Verbrennung ist verschwenderisch und kann giftig sein – insbesondere für diejenigen, die diese Operation ohne angemessenen Schutz durchführen.
Ein von Forschern der University of Washington geleitetes Team hat eine neue gedruckte Schaltung entwickelt, die genauso effizient ist wie solche aus herkömmlichen Materialien, die jedoch mit minimalem Abfall wiederholt recycelt werden kann.
Wissenschaftler verwendeten ein Lösungsmittel, das eine Art Vitrimer – eine neue Klasse nachhaltiger Polymere – in eine geleeartige Substanz umwandelt, ohne diese zu beschädigen, sodass feste Bestandteile zur Wiederverwendung oder zum Recycling entfernt werden können.
Dieses Vitrimer-Gelee kann dann wiederholt zur Herstellung neuer hochwertiger gedruckter Schaltkreise verwendet werden, im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen, die bei jedem Recycling erheblich abgebaut werden.
Mit diesen neuen Kreisläufen konnten die Forscher 98 % des Vitrimers und 100 % der Glasfasern sowie 91 % des für das Recycling verwendeten Lösungsmittels zurückgewinnen.
Die Arbeit ist veröffentlicht in Nachhaltigkeit in der Natur.
Ein wichtiger Teil des Problems
„Gedruckte Schaltkreise machen einen großen Teil der Masse und des Volumens von Elektroschrott aus“, sagte einer der Hauptautoren der Studie, Professor Vikram Iver.
„Sie gelten als feuer- und chemikalienbeständig, was sich positiv auf die Robustheit auswirkt. Dadurch sind sie aber auch praktisch nicht recycelbar. Hier haben wir eine neue Materialstruktur geschaffen, die ähnliche elektrische Eigenschaften wie herkömmliche Leiterplatten aufweist, sowie einen Prozess, um sie wiederholt zu recyceln. »
Vitrimere sind eine Klasse von Polymeren, die erstmals im Jahr 2015 entwickelt wurde. Wenn sie bestimmten Bedingungen, einschließlich Hitze über einer bestimmten Temperatur, ausgesetzt werden, können sich ihre Moleküle neu anordnen und neue Bindungen eingehen. Dadurch sind sie sowohl „härtbar“ – eine verbogene Platine lässt sich zum Beispiel gerade richten – als auch leicht recycelbar.
„Auf molekularer Ebene sehen Polymere aus wie Spaghetti, die sich falten und verdichten“, sagt ein weiterer Co-Autor der Studie, Professor Aniruddh Vashisth. „Vitrimere unterscheiden sich jedoch dadurch, dass sich die Moleküle, aus denen jede Nudel besteht, lösen und wieder verbinden können. Es ist, als ob jedes Stück Spaghetti aus kleinen Legosteinen bestünde. »
Den Forschern zufolge würde die Methode zur Herstellung gedruckter Vitrimer-Schaltkreise keine wesentlichen Änderungen im industriellen Produktionsprozess traditioneller gedruckter Schaltkreise mit sich bringen.
Nach Ansicht des Forschungsteams könnten diese neuen gedruckten Schaltkreise jedoch im Vergleich zu herkömmlichen gedruckten Schaltkreisen zu einer Reduzierung des globalen Erwärmungspotenzials um 48 % und einer Reduzierung der krebserregenden Emissionen um 81 % führen.
Obwohl dies eine technologische Lösung für die Klimakrise darstellt, stellen die Forscher fest, dass eines der Haupthindernisse für das groß angelegte Recycling von Vitrimer-Leiterplatten die Notwendigkeit ist, Systeme und Anreize für die Sammlung von Elektroschrott zu schaffen, damit dieser recycelt werden kann können zurückgewonnen und recycelt werden.
Tatsächlich, so die Autoren der Studie, sei es notwendig, „Kostenparität“ und „strenge Umweltstandards“ zu etablieren und „von nun an Materialien zunächst auf der Grundlage von Nachhaltigkeitsstandards zu entwerfen“.
