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Aus Balsaholz in alten Rotorblättern werden nachhaltige Surfbretter

Rotorblatt einer Windenergieanlage © distelAPPArath/Pixabay

| Kira Crome |

Balsa ist ein wertvolles Tropenholz, das auch in Rotorblättern von Windenergieanlagen verbaut wird. Forscher arbeiten an Recycling-Techniken, um den natürlichen Rohstoff aus ausgedienten Anlagen zurückzugewinnen und als einen neuen Bio-Verbundwerkstoff wiederzuverwerten. Daraus könnten Surfbretter hergestellt werden. Gelingt das, ließen sich damit auch erdölbasierte Leichtbaumaterialien in Autos, Schiffen und Zügen ersetzen.

Balsa ist das leichteste Nutzholz weltweit. Es wiegt weniger als Kork und weist eine extrem geringe Dichte auf, die etwa dreimal geringer ist als die von Fichtenholz. Weil es dabei besonders biege- und druckfest ist, kommt es vor allem im Leicht- und Modellbau zum Einsatz. Auch für die Konstruktion der Rotorblattschalen für Windenergieanlagen wird das Tropenholz verwendet. Es wächst vor allem in den Küstenwäldern Mittelamerikas. Fast der gesamte weltweite Bedarf an Balsaholz stammt aus Ecuador, wo sich rund 80 Prozent des weltweiten Balsabaumbestandes befinden.

Auch der Rotorblattbau von Windenergieanlagen setzt auf Balsaholz. In einem einzelnen 75 Meter langen Windradflügel stecken fünfzehn Kubikmeter des nachwachsenden Rohstoffs. Damit der Hohlkörper den hohen Luftgeschwindigkeiten in großer Höhe, die schon mal über 250 Stundenkilometer erreichen können, widersteht, werden die Leichtholzstückchen des Tropenbaums in Sandwichbauweise verbaut und mit Epoxid- oder Polyesterharz verklebt. Doch wie ließe sich der wertvolle Rohstoff wiedergewinnen?

In den kommenden Jahren werden sich immer mehr Windenergieanlagen der ersten Generation dem Ende ihrer Betriebszeit nähern. Weil ein Weiterbetrieb nicht an allen Standorten lohnenswert ist und mit der wachsenden Zahl an Altanlagen die Absatzmärkte für gebrauchte Anlagen enger werden, wird inzwischen verstärkt über das Recycling von ausgedienten Anlagen nachgedacht. Vor allem die Rotorblätter bereiten der sortenreinen Rückgewinnung von Rohstoffen Probleme: Der verklebte Materialverbund, der die Verschalung extrem fest und widerstandsfähig macht, lässt sich nur schwer wieder in seine einzelnen Bestandteile trennen.

Thermischer Verwertungspfad nutzt das Tropenholz nicht
Bislang werden ausgediente Windradflügel daher thermisch verwertet, zum Beispiel in Müllverbrennungsanlagen verbrannt. Wegen ihrer hohen Heizwerte interessiert sich aber auch die Zementindustrie für die Nutzung der Verbundstoffe ausgedienter Rotorblätter: In einem ersten mehrstufigen Verfahren wird der Materialverbund zu einem Ersatzbrennstoff weiterverarbeitet, der in der Zementproduktion zum Einsatz kommt.

Schade ist es dabei um das wertvolle Balsaholz. Weil es aufgrund seiner geringen Dichte nur einen geringen Brennwert aufweist, hat es bei der Verbrennung keinen besonderen Mehrwert. „Damit gehen wertvolle Rohstoffe in großen Mengen verloren, die als Rohstoffquelle für neue Produkte dienen können“, sagt Peter Meinlschmidt. Der Physiker sucht mit seinem Forschungsteam am Braunschweiger Fraunhofer Institut für Holzforschung (Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI) deshalb nach einer Lösung für die stoffliche Wiederverwertung des Tropenholzes aus ausgedienten Rotorblättern.

Verfahren zur sortenreinen Trennung des Materialverbunds entwickelt
Für den ersten Schritt der Rückgewinnung haben die Forscher ein ganz neues Verfahren entwickelt, um die in den Windradflügeln enthaltene Verbundmischung sauber zu trennen. Die abgebauten Rotorblätter werden mithilfe einer Wasserstrahllanze in größere Stücke zerteilt und in einer Zerkleinerungsmaschine in etwa handtellergroße Stücke zersägt. Dann kommt das Materialgemisch in eine sogenannte Prallmühle und wird in daumengroße Stückchen geschreddert. Fasern und Kleber lösen sich dabei vom Holz. „Das Verbundmaterial bricht dann auseinander, weil das Holz zähelastisch ist, während Glasfaser und Harz sehr hart sind“, erklärt Meinlschmidt.

Wie aber lassen sich die zurückgewonnenen Balsaholzstückchen wiederverwerten? Auch an diesem zweiten Schritt wird am Braunschweiger Fraunhofer Institut geforscht. Eine Möglichkeit ist die Herstellung extrem leichter Holzfaser-Dämmstoffmatten, die erdölbasierte Dämmmaterialien wie Styropor ersetzen können. Nur etwa zehn Prozent der gängigen Materialien für die Wärmedämmung von Gebäuden bestünden aus nachwachsenden Rohstoffen. „Da ist noch Luft nach oben“, sagt Meinlschmidt.

Stoffliche Wiederverwertung als neuer Leichtbau-Werkstoff
Eine zweite Möglichkeit ist, das zurückgewonnene Balsaholz zu einem neuen Bio-Leichtbauwerkstoff weiterzuverarbeiten. Angefeuchtet, lassen sich die Balsaholzstückchen zu einem Schleim vermahlen und mit einem Schaummittel versetzen. Festigkeit erhält der Schaum durch holzeigene Bindekräfte, die den Einsatz von synthetischen Klebstoffen überflüssig machen. Dieser Naturstoff ist Basis für einen neuen biologischen Kompositwerkstoff, der ein vollwertiger Ersatz für Leichtbaumaterialien aus erdölbasierten chemischen Kunstharzen oder glasfaserverstärkten Kunststoffen wäre.

Am Zentrum für leichte und umweltgerechte Bauten am Fraunhofer WKI wird an dem Entwicklungsprozess gearbeitet und an den mechanischen Eigenschaften des neuen Leichtbau-Werkstoffs in Sachen Dichte und Druckfestigkeit geforscht. Um die umweltfreundliche Alternative gänzlich aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln und konkurrenzfähig zu machen, stellt Christoph Pöhler, Wissenschaftler am Fraunhofer WKI, aus dem zurückgewonnen Balsaholz-Mahlgut ein Stand Up Paddling-Board her.

Stand Up Paddling-Board als Demonstrator
Solche Surfbretter müssen nicht nur Feuchte, Salzwasser und UV-Strahlung widerstehen, sondern auch hoher mechanischer Beanspruchung Stand halten. Um den neuen Hybridwerkstoff so fest und langlebig wie herkömmlichen glasfaserverstärkten Kunststoff zu machen, besteht er im Korpus aus dem Balsaholzschaum, der mit einem Bio-Polymer versiegelt wird. Aus der Menge des aus einem einzelnen Rotorblatt zurückgewonnenen Balsaholzes entsteht durch das Aufschäumen, aufgrund der geringeren Dichte, ungefähr das Vier- bis Fünffache an Holzschaum für den Surfbrettkorpus. „Über den Daumen gepeilt, lassen sich daraus etwa 300 Stand Up Paddling-Boards herstellen“, schätzt Pöhler. Ähnlich wie bei der Konstruktion der Rotorblattschale wird auch das Surfbrett in Sandwichbauweise entwickelt. Die Außenhülle des Balsaholz-Korpus besteht aus einem naturfaserverstärktem Biokunststoff auf Basis von in Europa angebauten Flachsfasern.

Der Querschnitt durch das Paddleboard zeigt den Sandwich-Aufbau: Kern aus recyceltem Balsaholz mit einer Außenhülle aus naturfaserverstärktem Biokunststoff. © Fraunhofer WKI I Christoph Pöhler

Der Querschnitt durch das Paddleboard zeigt den Sandwich-Aufbau: Kern aus recyceltem Balsaholz mit einer Außenhülle aus naturfaserverstärktem Biokunststoff. © Fraunhofer WKI I Christoph Pöhler

Die Wiederverwertung von Balsaholz aus ausgedienten Rotorblättern soll das Wassersportgerät nicht nur ökologischer, sondern auch durch seine hohe spezifische Festigkeit besonders langlebig machen. Von ihrer Entwicklung versprechen sich die Wissenschaftler eine Reihe technischer Vorteile für Leichtbau-Anwendungen. „Die positiven Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Belastbarkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht stimmen uns sehr zuversichtlich, dass es nicht bei dem Wassersport bleibt“, sagt Pöhler. „Künftig könnte unser neuer Bio-Verbundwerkstoff auch beim Bau von Gebäuden, Autos, Schiffen und Zügen zum Einsatz kommen.“ Dann hätten Rotorblätter ein zweites stoffliches Leben, vielleicht nicht nur als Surfbrett.