Ein Forscherteam arbeitet an einer wirklich grünen Technologie: Es hat einen Weg gefunden, herkömmliche Leiterplatten durch eine biologisch abbaubare Alternative aus Holzblättern zu ersetzen. Laut einer kürzlich in der Zeitschrift "Science Advances" veröffentlichten Studie könnte die "Blattelektronik" dazu beitragen, die zig Millionen Tonnen Elektroschrott, die die Menschheit jedes Jahr produziert, zu reduzieren.
Elektroschrott ist allgegenwärtig und sammelt sich schnell an. Im Jahr 2022 werden die Hersteller weltweit 62 Millionen Tonnen Elektroschrott erzeugt haben. Und diese Zahl wird bis 2030 voraussichtlich um mehr als 30 % ansteigen, da moderne Elektronik so konzipiert ist, dass sie weggeworfen werden kann, sagt Rakesh Nair, ein Postdoktorand und Ingenieur am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Dresden (TU Dresden). "Wir könnten leicht Elektronik herstellen, die 10, 20 oder 30 Jahre hält, aber wir machen sie absichtlich so, dass jeder das neue Modell kauft", sagt Nair.
Leiterplatten machen 60 % des Elektroschrotts aus. Gedruckte Leiterplatten bestehen in der Regel aus epoxidimprägniertem, extrem hartem Kunststoff oder Glasfaser, einem nicht recycelbaren Substrat, das die Ursache des Problems ist, sagt Hans Kleemann, Experimentalphysiker an der Universität Dresden und Nairs Postdoc-Berater. Dadurch werden wichtige Prozesse wie das Recycling und die Wiederverwendung von Bauteilen verhindert. Kleemann, Nair und Kollegen machten sich daher auf die Suche nach einer umweltfreundlicheren Alternative.
Nair dachte zunächst daran, Papier für die Blätter zu verwenden, aber die Menge an Wasser und Schadstoffen, die zu seiner Herstellung benötigt wird, schreckte ihn ab. Als er eines Tages einen großen Magnolienbaum in der Nähe seines Instituts betrachtete, kam ihm eine andere Idee: Wie wäre es, wenn sie statt Papier Blätter verwenden würden?
Die Stärke von Blättern, die biologisch abbaubar und sogar hurrikansicher sind, beruht auf ihrem "Skelett", einem fein geäderten, stark verzweigten Netzwerk aus einer holzigen Verbindung namens Lignocellulose. Um eine Leiterplatte aus einem Magnolienblatt herzustellen, entfernte Nair zunächst das Blatt bis auf das Skelett, indem er die Zellen des Blattes chemisch entfernte. Anschließend füllte er die Löcher im Skelett mit Ethylcellulose, einem zähen, biologisch abbaubaren Polymer. Die so entstandene flexible Folie hielt allen Arten von Elektronikherstellungsverfahren stand, einschließlich des Laserschneidens der Blätter, des Aufdruckens der Schaltkreise mit handelsüblicher Silbertinte und des Anlötens der Bauteile.
Nair setzte sogar eine Platine in die hochmoderne PVD-Maschine des Teams ein und verwendete sie zur Herstellung einer organischen LED. Er meldete diesen Test erst nach seinem Erfolg an Kleeman, da die teure Maschine durch das neue Material beschädigt werden könnte. Nairs Blattelektronik funktioniert nicht nur gut, sondern lässt sich auch leicht demontieren. Metalle und andere Schaltungskomponenten können in einem Säurebad von der Basis getrennt werden, und die Blätter selbst beginnen nach einem Monat zu zerfallen, wenn sie kompostiert werden.
Die Forscher rechnen damit, dass mit dem neuen Verfahren auch die Emissionen während der Produktion auf ein wesentlich niedrigeres Niveau als bei der herkömmlichen Herstellung von Leiterplatten gesenkt werden können. Nair stellt sich eine Anlage für die Herstellung und das Recycling von Elektronik in der Nähe von Wäldern für die industrielle Verarbeitung vor, so dass die Blätter geerntet, geformt und dann recycelt oder auf nachhaltige Weise abgebaut werden könnten.
Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung nachhaltiger Elektronik, sagt Clara Santato, eine Physikochemikerin am Montréal Polytechnic, die sich mit nachhaltiger organischer Elektronik beschäftigt. Die meisten Forscher auf dem Gebiet der umweltfreundlichen Elektronik suchen nach Alternativen zu den seltenen und teuren Materialien, die in elektronischen Schaltkreisen verwendet werden. Daher ist es laut Santato besonders positiv, dass Nairt und ihr Team stattdessen die Leiterplatte ins Visier genommen haben. Er weist jedoch darauf hin, dass eine einzige Technologie nicht ausreichen wird, um die Nachhaltigkeitsprobleme der Elektronikindustrie zu lösen. "Ein globales Problem braucht mehr als eine Antwort", sagt er.
Wie bei jeder neuen Technologie dürfte die größte Herausforderung darin bestehen, die Hersteller davon zu überzeugen, die Entwicklung zu übernehmen. Obwohl die Materialien in Labortests gut abgeschnitten haben, reicht dies möglicherweise nicht aus, um die Mehrheit der Hersteller zu überzeugen. Und gerade wegen ihrer biologischen Abbaubarkeit ist es unwahrscheinlich, dass die Blattelektronik bestimmte Industrienormen erfüllt.
Die derzeitigen PCB-Materialien sind in puncto Robustheit praktisch unschlagbar und bilden den Maßstab für die geltenden Vorschriften für elektronische Bauteile, so Kleeman. "Die Regulierungsbehörden müssen die Messlatte für die Robustheit möglicherweise um 5 % senken, damit wir in diesen Markt eintreten können", sagt er. "Es geht vor allem um die Bereitschaft der Industrie, sich zu ändern".
