Graphen aus Erdnussschalen: Australiens neuer Hightech-Rohstoff

Erdnussschalen werden üblicherweise entsorgt oder kompostiert. In Australien könnten sie nun jedoch zum Ausgangsmaterial für einen der faszinierendsten Werkstoffe unserer Zeit werden: Graphen. Ein Forschungsteam hat gezeigt, dass sich dieser landwirtschaftliche Reststoff innerhalb weniger Minuten in hochwertiges Material umwandeln lässt – mit sehr geringem Energieaufwand und ohne giftige Chemikalien.

Weshalb Graphen so gefragt und bislang kaum bezahlbar ist

Seit Jahren gilt Graphen als Star der Materialwissenschaft. Es besteht aus nur einer Schicht Kohlenstoffatome, die in einem wabenförmigen Gitter angeordnet sind. Diese Struktur verleiht dem Material bemerkenswerte Eigenschaften:

• bei sehr geringem Gewicht fester als Stahl
• leitfähiger als Kupfer
• äußerst dünn und biegsam
• chemisch widerstandsfähig und langlebig

Trotz dieser Vorteile ist Graphen weiterhin ein Nischenmaterial. Die etablierten Produktionsmethoden sind komplex, zeitintensiv und energiehungrig. Dadurch bleiben die Kosten hoch – und sein Einsatz rechnet sich in vielen Bereichen wie Elektronik, Energiespeicherung oder Medizin bislang nicht.

Graphen ist begehrt wie ein Rohdiamant, wird bisher aber fast so behandelt, als wäre es Gold – teuer, knapp, schwer zugänglich.

Genau hier setzt die Gruppe um den Maschinenbauingenieur Guan Yeoh von der University of New South Wales (UNSW) in Sydney an. Ihr Ziel war ein skalierbares Verfahren, das preiswerte Biomasse verwendet und nahezu ohne Chemikalien auskommt.

Erdnussschalen als Rohstoff für Graphen: vom Snackrest zum Hightech-Material

Weltweit entstehen pro Jahr mehr als zehn Millionen Tonnen Erdnussschalen. Sie zählen zu den typischen Reststoffen der Landwirtschaft: Sie sind voluminös, haben nur einen geringen Marktwert und lassen sich schwer sinnvoll verwerten. Häufig werden sie deponiert, verbrannt oder zu Produkten mit geringem Wert verarbeitet.

Für die Wissenschaft sind die Schalen hingegen besonders interessant. Entscheidend ist ihr hoher Ligningehalt. Dieser pflanzliche Strukturstoff enthält viel Kohlenstoff – genau jenes Element, aus dem Graphen besteht.

Anstatt auf kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterialien aus Erdöl zurückzugreifen, nutzt das australische Team somit eine nachwachsende Ressource, die ohnehin in großen Mengen anfällt. Veröffentlicht wurde die Studie im Fachjournal Chemical Engineering Journal Advances; auch Fachportale wie ScienceAlert berichteten bereits darüber.

Weshalb frühere Biomasse-Ansätze nicht überzeugten

Die Umwandlung von Biomasse in Graphen ist keine völlig neue Idee. Viele frühere Verfahren lieferten jedoch Material von geringer Qualität. Die Anordnung der Kohlenstoffatome wies häufig zahlreiche Defekte auf, wodurch Leitfähigkeit und Stabilität deutlich litten.

Das Team um Yeoh erkannte die Vorbereitung des Rohmaterials als Schwachstelle dieser älteren Methoden. Ohne eine präzise Vorbehandlung blieben zu viele Verunreinigungen und ungeordnete Strukturen zurück – Mängel, die sich im weiteren Prozess kaum noch korrigieren ließen.

Zwei aufeinanderfolgende Hitzeschocks: Graphen in wenigen Minuten

Das neue Verfahren greift genau diesen Punkt auf. Es basiert im Wesentlichen auf zwei Heizphasen, die in überraschend kurzer Zeit ablaufen.

Schritt 1: „Anheizen“ bei 500 Grad

Zuerst werden die Erdnussschalen zerkleinert und auf rund 500 Grad Celsius erhitzt. Die Wärme wird indirekt mittels elektrischem Strom erzeugt, also durch Joule-Erhitzung, und wirkt etwa fünf Minuten lang ein.

Während dieser ersten Phase entweichen Sauerstoff, Wasserstoff und weitere Fremdstoffe. Übrig bleibt ein kohlenstoffreicher Reststoff mit bereits vergleichsweise geordneten Strukturen, der einem besonderen Biokoks ähnelt.

Die Qualität dieses Zwischenprodukts entscheidet über die Qualität des späteren Graphens – daran macht das Team den Erfolg des Verfahrens fest.

Schritt 2: Blitzhitze von mehr als 3.000 Grad

Anschließend wird das Material einem massiven Temperaturschock ausgesetzt. Eine kurze elektrische Entladung erhitzt es innerhalb von Millisekunden auf über 3.000 Grad Celsius. Durch diesen Effekt, der als „Flash Joule heating“ bezeichnet wird, ordnen sich die Kohlenstoffatome neu.

Unter der extremen, aber nur kurz anhaltenden Hitze entstehen wenige locker übereinanderliegende Schichten, sogenanntes turbostatisches Graphen. Die Lagen sind nicht perfekt aufeinander ausgerichtet. Für zahlreiche Anwendungen kann das sogar vorteilhaft sein, etwa bei Batterien oder leitfähigen Beschichtungen.

Vom zerkleinerten Ausgangsmaterial bis zum fertigen Graphen benötigt der gesamte Prozess lediglich rund zehn Minuten. Chemische Lösungsmittel und zusätzliche Reagenzien sind nicht erforderlich.

Niedrige Energiekosten und große Erwartungen für die Industrie

Besonders auffällig sind die errechneten Energiekosten: Nach Angaben des Teams genügen etwa 1,30 US-Dollar an Energie, um ein Kilogramm Graphen zu produzieren. Das entspricht knapp mehr als einem Euro.

Herkömmliche Verfahren bewegen sich – abhängig von der Methode – in völlig anderen Größenordnungen, sowohl bei den Kosten als auch beim Energiebedarf. Eine derartige Verringerung könnte den Graphenmarkt spürbar verändern.

• Für Hersteller von Batterien würde Graphen attraktiver.
• Elektronikunternehmen könnten leitfähige Schichten auf größeren Flächen vorsehen.
• Medizinische Sensoren ließen sich preiswerter und in größeren Stückzahlen herstellen.
• Industrielle Beschichtungen könnten zugleich leichter und widerstandsfähiger werden.

Hinzu kommt der Verzicht auf giftige Chemikalien. Bei vielen klassischen Syntheseverfahren entstehen Lösungsmittel, Säuren oder Katalysatoren, deren Entsorgung aufwendig ist und die bei Genehmigungen für Produktionsanlagen Schwierigkeiten verursachen können.

Vom Labor zur Fabrik: wann der breite Einsatz möglich wird

Derzeit befindet sich das Verfahren noch im Labormaßstab. Als Nächstes planen die Forschenden Pilotanlagen, die wesentlich größere Materialmengen verarbeiten können. Innerhalb von etwa drei bis vier Jahren sollen erste industrielle Prototypen entstehen.

Parallel untersucht das Team weitere Rohstoffe. Besonders im Mittelpunkt stehen:

• Kaffeesatz aus Cafés und Röstereien
• Bananenschalen aus Supermärkten und Großküchen
• weitere ligninreiche Pflanzenteile aus Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung

So könnte aus einem Entsorgungsproblem ein verwertbarer Rohstoff werden. Landwirte, Händler und Verarbeitungsbetriebe erhielten dadurch neue Absatzmöglichkeiten für organische Reststoffe.

Was turbostatisches Graphen ist und wofür es geeignet ist

Der Begriff turbostatisch wirkt technisch, beschreibt aber vor allem die Lage der einzelnen Schichten. Statt eines perfekt einlagigen Blatts entstehen einige Lagen, die leicht verdreht übereinander angeordnet sind.

Für hochpräzise Chips ist diese Struktur weniger geeignet. In vielen anderen Bereichen ist sie jedoch mehr als ausreichend. Besonders interessant ist das Material für:

• Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Batterien und künftige Natrium-Ionen-Batterien
• Dünnschicht-Solarzellen mit transparenten, leitfähigen Elektroden
• flexible Touchscreens und Displays
• leichte Verbundwerkstoffe für die Auto- und Luftfahrtindustrie
• Biosensoren, die kleinste elektrische Signale im Körper erfassen

Die leicht ungeordnete Anordnung erleichtert es, Ionen und Moleküle zwischen die Schichten einzubringen. Das ist ein Vorteil für Batterien und Superkondensatoren. Gleichzeitig bleibt die hohe Leitfähigkeit weitgehend bestehen.

Chancen, Risiken und ungeklärte Fragen

So vielversprechend die Methode erscheint, einige Fragen sind noch offen. Kann die Qualität bei Mengen im Tonnenmaßstab ebenso zuverlässig gehalten werden wie im Labor? Wie widerstandsfähig sind die Anlagen angesichts der extremen Temperatursprünge? Und wie gut lässt sich das Verfahren in bestehende Industrieparks integrieren, etwa in der Nähe von Erdnussverarbeitern oder Kaffeeröstereien?

Auch die Umweltbilanz muss genau geprüft werden. Zwar entfallen viele Chemikalien, doch die hohen Temperaturen setzen effiziente Stromquellen voraus – idealerweise erneuerbare Energien. Andernfalls könnte ein Teil des ökologischen Vorteils verloren gehen.

Trotz dieser offenen Punkte zeigt das Projekt ein konkretes Szenario auf: Landwirtschaftliche Reststoffe werden zu Rohmaterial für Hightech-Werkstoffe. Wer Erdnussschalen heute achtlos entsorgt, könnte in einigen Jahren indirekt zur Versorgung von Smartphone-Herstellern, Batteriefabriken oder Produzenten von Solarmodulen beitragen.

Für Verbraucherinnen und Verbraucher könnte das langfristig langlebigere Akkus, leichtere Geräte und bessere Sensoren in Medizinprodukten bedeuten – zu Preisen, die nicht nur für Forschungslabore, sondern auch für den Massenmarkt gedacht sind.