Innovatives Team entwickelt recycelbare, heilbare Elektronik zur Bekämpfung von Elektroschrott

Elektronik &Sensoren INSIDER

(Von links) Ravi Tutika, Michael Bartlett, Josh Worch und Meng Jiang testen den von den Teams aus Maschinenbau und Chemie geschaffenen Recyclingkreislauf. (Bild:Alex Parrish für Virginia Tech)

Zwischen Upgrades und Ausfällen von Mobiltelefonen, Tablets, Laptops und Haushaltsgeräten landen so viele elektronische Geräte im Müll, dass sie einen eigenen Namen angenommen haben:Elektroschrott.

Laut einem Bericht der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2024 hat sich die Menge an Elektroschrott weltweit in den letzten 12 Jahren fast verdoppelt, von 34 Milliarden auf 62 Milliarden Kilogramm – das entspricht 1,55 Millionen Schiffslastwagen – und es wird geschätzt, dass sie bis 2030 82 Milliarden Kilogramm erreichen wird. Nur 13,8 Milliarden Kilogramm – etwa 20 Prozent der Gesamtmenge – werden voraussichtlich recycelt, eine Zahl, die voraussichtlich auch weiterhin bestehen bleibt flach.

Einfach ausgedrückt:Wir werfen immer mehr elektronische Geräte weg und das Recycling hält nicht mit. Aber eine neue Studie zu Advanced Materials von zwei Forschungsteams der Virginia Tech bietet eine mögliche Lösung für das Elektroschrottproblem:ein recycelbares Material, das die Zerlegung und Wiederverwendung von Elektronikgeräten erleichtern könnte.

Michael Bartlett, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, und Josh Worch, Assistenzprofessor für Chemie, kommen aus unterschiedlichen Bereichen, aber gemeinsam haben sie eine neue Klasse von Schaltkreismaterialien geschaffen. Dank der bedeutenden Arbeit ihres Teams aus Postdoktoranden und Doktoranden, darunter Dong Hae Ho, Meng Jiang und Ravi Tutika, sind die neuen Schaltkreise recycelbar, elektrisch leitend, rekonfigurierbar und nach Beschädigung selbstheilend. Dennoch behalten sie die Festigkeit und Haltbarkeit herkömmlicher Leiterplattenkunststoffe bei – Eigenschaften, die selten in einem einzigen Material zu finden sind.

Das neue Material basiert auf einem Vitrimer, einem dynamischen Polymer, das umgeformt und recycelt werden kann. Dieses vielseitige Material wird mit Tröpfchen flüssigen Metalls kombiniert, die den elektrischen Strom leiten, so wie es starre Metalle in einem herkömmlichen Stromkreis tun.

Dies ist ein grundlegend anderer Ansatz als bei anderen recycelbaren oder flexiblen elektronischen Geräten. Durch die Kombination der leistungsstarken, anpassungsfähigen Polymere mit elektrisch leitfähigen Flüssigmetallen hält der neue Schaltkreis einer Vielzahl von Herausforderungen stand.

„Unser Material unterscheidet sich von herkömmlichen elektronischen Verbundwerkstoffen“, sagte Bartlett. „Die Leiterplatten sind bemerkenswert belastbar und funktionsfähig. Selbst bei mechanischer Verformung oder Beschädigung funktionieren sie noch.“

Das Recycling herkömmlicher Leiterplatten erfordert mehrere energieintensive Rückbauschritte und erzeugt dennoch große Mengen Abfall. Dabei gehen wertvolle Metallkomponenten in Milliardenhöhe verloren. Das Recycling der Leiterplatte des Teams ist unkompliziert und kann auf verschiedene Arten erfolgen.

„Herkömmliche Leiterplatten werden aus permanenten Duroplasten hergestellt, die unglaublich schwer zu recyceln sind“, sagte Worch. „Hier kann unser dynamisches Verbundmaterial bei Beschädigung durch Hitzeeinwirkung geheilt oder umgeformt werden, ohne dass die elektrische Leistung darunter leidet. Moderne Leiterplatten können das einfach nicht.“

Die Vitrimer-Leiterplatten können am Ende ihrer Lebensdauer auch durch alkalische Hydrolyse dekonstruiert werden, was die Rückgewinnung wichtiger Komponenten wie flüssigem Metall und LEDs ermöglicht. Die vollständige Wiederverwendung aller Komponenten der leitfähigen Verbundwerkstoffe in einem geschlossenen Prozess bleibt ein Ziel zukünftiger Forschung.

Auch wenn es möglicherweise nicht möglich ist, die Zahl der von den Verbrauchern weltweit weggeworfenen elektronischen Geräte einzudämmen, stellt diese Arbeit einen wichtigen Schritt dar, um zu verhindern, dass mehr davon auf Mülldeponien landen.

Quelle