Blitz, schlag ein!

Ob das Pantheon in Rom oder die deutsche Betonkanu-Regatta, ob Ultraleichtbeton oder Sichtbeton: Beton ist unglaublich vielseitig und der meistverwendete Baustoff der Welt. Er wird aus Zement, Wasser und Gesteinskörnung, einer Mischung aus Gesteinskörnern wie Kies oder Kalksplitt in unterschiedlichen Größen, hergestellt.

Allerdings sind die CO2-Emissionen nicht unproblematisch, die vor allem bei der Zementherstellung entstehen: Die Produktion von einer Tonne gebranntem Zementklinker aus Kalk und Ton setzt 650 bis 700 Kilogramm Kohlendioxid frei. So gehen jährlich acht bis 15 Prozent der weltweiten CO2-Produktion auf das Konto der Zementherstellung. Auch beim Recycling von Altbeton gibt es noch keinen Königsweg, um den Stoffkreislauf zu schließen. Allein in Deutschland betrug die Abfallmenge 2010 fast 130 Millionen Tonnen.  

Downgecycelt

„Das ist ein riesiger Materialfluss, aber es gibt momentan kein effektives Recyclingverfahren für Betonabbruch“, erklärt Volker Thome vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP aus der Gruppe der Betontechnologie in Holzkirchen.“ Die einzige Recyclingmethode ist das Zermahlen von alter Bausubstanz. Da die einzelnen Ausgangsstoffe so jedoch nicht sauber voneinander zu trennen sind, wird das Ergebnis zum Großteil im Straßen- und Gleisbau verwendet. Durch das neue Verfahren könnte die Wiederverwertungsquote von Beton laut den Wissenschaftlern auf rund 80 Prozent verzehnfacht werden.

Sowohl der entstehende Zementstein als auch die verschiedenen großen Gesteinskörner könnten durch eine saubere Trennung für hochwertige Produkte wiederverwertet werden. „Das ist Downcycling“, erklärt Thome, also lediglich die Wiederverwertung von Rohstoffen, deren Qualität sich von Vorgang zu Vorgang verschlechtert. Gelänge es hingegen, die Gesteinskörnung von der Zementsteinmasse zu trennen, könnte der Kies als Zusatz (im Fachjargon auch Zuschlag genannt) wieder problemlos in den Frischbeton eingebracht werden – ein erster entscheidender Schritt in Richtung Recycling von Altbeton. 

„Die Rückgewinnung von hochwertigen Zuschlägen aus Altbeton würde die Recyclingquote etwa verzehnfachen und damit auf bis zu 80 Prozent steigern“, erklärt Thome. Gelänge es, auch einen Zementersatzstoff aus Altbeton zu gewinnen, ließen sich die CO2-Emissionen der Zementindustrie deutlich senken. Um diese Ziele zu erreichen, hat Thome ein Verfahren aus dem Dornröschenschlaf geweckt, das russische Wissenschaftler bereits in den 1940er-Jahren entwickelten: die elektrodynamische Fragmentierung. Mit ihr gelingt es, den Beton in seine Einzel­bestandteile – Zuschläge und Zementstein – zu zerlegen.

Hochwertige Bestandteile recyceln

Bei dieser Vorgehensweise lassen es die Forscher in Holzkirchen ordentlich blitzen. Mit Hilfe einer „High Voltage Pulse Power Fragmentation“, von den Mitarbeitern des Fraunhofer-Instituts kurz „Blitzer“genannt, soll die Trennung von Altbeton in seine Bestandteile erfolgen. Schlägt ein Blitz in Beton ein, sucht er sich wie auch in anderen Materialien den Weg des kleinsten Widerstands, d. h. entlang der Grenzflächen zwischen den Materialien. Dabei wird das Material mechanisch geschwächt. Der tatsächliche Blitz erzeugt dann einen sich ausweitenden Plasmakanal entlang seines Weges durch den Beton. Dadurch entsteht im Inneren eine Druckwelle, die das Material in seine Bestandteile ­zerlegt. 

Derzeit schafft ein Prototyp einer Versuchsanlage eine Tonne Beton pro Stunde. „Normalerweise bevorzugen es Blitze, durch Luft oder Wasser zu verlaufen und nicht durch einen Festkörper“, sagt Thome. Damit der Blitz in den Beton einschlägt und einen Durchschlag erzeugt, nutzt der Experte die Erkenntnisse der russischen Wissenschaftler: Sie fanden vor mehr als 70 Jahren heraus, dass die elektrische Durchschlagsfestigkeit – also der Widerstand, den jede Flüssigkeit und jeder Feststoff einem elektrischen Impuls entgegensetzt – keine physikalische Konstante ist: Sie ändert sich mit der Dauer des Blitzes. „Bei einem äußerst kurzen Blitz unterhalb von 500 Nanosekunden besitzt Wasser plötzlich eine höhere Durchschlagsfestigkeit als die meisten Festkörper“, erklärt Thome. Einfach ausgedrückt: Liegt der Beton unter Wasser und die Forscher generieren einen 150-Nanosekunden-Blitz, schlägt dieser bevorzugt nicht mehr ins Wasser ein, sondern in den Festkörper.

Der Weg des geringsten Widerstands

„Das ist der Clou bei dem Verfahren“, erklärt Thome. Im Beton sucht sich der Blitz dann den Weg des geringsten Widerstands, das sind die Grenzen zwischen den Bestandteilen, also zwischen Kies und der Zementsteinmasse. Die ersten generierten Impulse, die Vorentladungen, schwächen das Material mechanisch vor. „Die Vorentladung, die in unserer Fragmentierungsanlage die Gegenelektrode zuerst erreicht, führt dann zum elektrischen Durchschlag“, erläutert Thome. In diesem Moment bildet sich im Beton ein Plasmakanal aus, der binnen einer Tausendstelsekunde wie eine Druckwelle von innen nach außen wächst.

„Die Kraft dieser Druckwelle ist vergleichbar mit der einer kleinen Sprengstoffexplosion“, sagt Thome. Der Beton werde auseinandergezogen und in seine Bestandteile zerlegt. Mit der Labor-Fragmentierungsanlage gelingt es den Forschern zurzeit, pro Stunde eine Tonne Altbeton aufzubereiten. „Damit man wirtschaftlich arbeiten kann, ist eine Durchsatzrate von mindestens 20 Tonnen in der Stunde unser Ziel“, erklärt Thome. Bereits in zwei Jahren könnte eine entsprechende Anlage marktreif sein.