Delithiiertes β-Spodumen: Batterieabfall für grünen Beton

In einer Welt aus Hochhäusern, Brückenbauwerken und Autobahnen bündelt ein unscheinbarer Werkstoff einen erheblichen Anteil der weltweiten Klimabelastung.

Beton trägt fast alles, was als „moderne Zivilisation“ gilt – doch sein ökologischer Preis ist hoch. Forschende in Australien berichten nun über einen unerwarteten Ansatz, diesen Schaden zu verringern: Sie nutzen einen Rückstand aus dem globalen Boom bei Lithiumbatterien.

Ein Meer aus Beton und eine hohe Klimarechnung

Die Menschheit stellt jährlich rund 30 Milliarden Tonnen Beton her. Das entspricht ungefähr 952 Tonnen, die jede Sekunde Fabriken und Mischanlagen verlassen. Städte, Straßen, Staudämme und Flughäfen bestehen aus diesem grauen, scheinbar gewöhnlichen Material.

Hinter dieser enormen Menge steht jedoch eine beträchtliche Belastung: Beton auf Portlandzementbasis verursacht laut jüngeren Berichten des IPCC etwa 8 % der globalen CO₂-Emissionen. Damit verursacht er für sich genommen mehr Emissionen als die kommerzielle Luftfahrt.

Beton steht zugleich für den Fortschritt der Städte und für eine Bauweise, die Klima, natürliche Ressourcen und Luftqualität belastet.

Das Kernproblem ist Zement, das Pulver, das Sand, Kies und Wasser zusammenbindet. Seine Herstellung erfordert Brennöfen mit extrem hohen Temperaturen, die fossile Brennstoffe verbrennen. Gleichzeitig wird bei der Zersetzung von Kalkstein unmittelbar CO₂ freigesetzt. Diese doppelte Emissionsquelle lässt sich mit herkömmlichen Technologien nur schwer vermeiden.

Von Batterieabfällen zu „grünem Beton“

Was delithiiertes β-Spodumen eigentlich ist

Am anderen Ende der Klimabilanz steht Lithium, ein Schlüsselmetall für Batterien in Elektroautos, Mobiltelefonen, Laptops und Energiespeichersystemen. Auch Gewinnung und Raffination dieses Metalls hinterlassen Umweltfolgen und Reststoffe. Einer davon ist delithiiertes β-Spodumen, in der Fachliteratur als DβS bezeichnet.

DβS fällt als Nebenprodukt der Lithiumraffination an. Es handelt sich um ein festes Material in Pulverform oder als Bruchstücke, das normalerweise in Rückstandslagern, Deponien oder offenen Halden landen würde. Es beansprucht Fläche, kann Staub freisetzen, erfordert Umweltüberwachung und findet bislang kaum eine Nutzung im großen Maßstab.

Ein Team der Flinders University in Australien unter Leitung von Professor Aliakbar Gholampour kehrte diese Sichtweise um. Statt DβS als Belastung zu betrachten, sahen die Forschenden darin einen möglichen Rohstoff.

Geopolymere als Alternative zu Portlandzement

Das Team erprobte DβS in einer Betonart, die sich von herkömmlichem Beton unterscheidet: geopolymerem Beton. Portlandzement kommt in diesem System nicht zum Einsatz. Stattdessen besteht die Grundlage aus silizium- und aluminiumreichen Materialien, etwa Aschen oder industriellen Schlacken, die durch alkalische Lösungen aktiviert werden und Polymerisationsreaktionen auslösen.

Bei der Zugabe von DβS zu dieser Matrix stellten die Wissenschaftler fest, dass der Rückstand als Zusatzstoff dienen und andere Einsatzstoffe, etwa Flugasche aus Kohlekraftwerken, teilweise ersetzen kann. Das Ergebnis fiel bemerkenswert aus.

Die Tests zeigten eine höhere mechanische Festigkeit und eine verbesserte Dauerhaftigkeit, sodass bestimmte Rezepturen das Potenzial haben, herkömmliche Betone zu übertreffen.

Anders gesagt: Ein „Abfall“ aus der Batterieindustrie kann zu einer strukturellen Verstärkung in Beton mit geringerem CO₂-Fußabdruck werden.

Weniger Rückstände, mehr Kreislaufwirtschaft

Warum dieser Ansatz Aufmerksamkeit verdient

Der australische Vorschlag verbindet unmittelbar zwei parallel wachsende Herausforderungen: die stark steigende Nachfrage nach Lithium und die notwendige Emissionsminderung im Bauwesen. Die Kombination von Bergbau und Beton kann unter anderem folgende direkte Wirkungen haben:

• geringere Mengen an Rückständen aus der Lithiumraffination, die auf Deponien oder in industriellen Rückhaltebecken gelangen;
• ein niedrigerer Bedarf an herkömmlichen Rohstoffen mit erheblichen Umweltfolgen, etwa Kohleflugasche und Zementklinker;
• eine wirtschaftliche Aufwertung eines Reststoffs, der derzeit Lager- und Umweltkontrollkosten verursacht;
• eine praktische Annäherung an die Kreislaufwirtschaft, bei der ein Nebenprodukt einer Branche zum hochwertigen Einsatzstoff einer anderen wird.

Diese Wiederverwertung wird wichtiger, weil der Lithiumabbau mit der Elektrifizierung des Verkehrs voraussichtlich weiter zunehmen wird. Mit jeder zusätzlich produzierten Megawattstunde Batteriekapazität entstehen gleichzeitig Rückstandsströme, die sicher behandelt werden müssen.

Herausforderung	Aktuelles Risiko	Rolle von DβS im Beton
Lithiumrückstände	Ansammlung auf Halden, mögliche Verunreinigung	Umwandlung in einen Baustoffeinsatzstoff
Zementemissionen	Hohe CO₂-Menge pro Tonne Klinker	Teilweiser Ersatz durch eine geopolymerische Matrix
Nachfrage nach Infrastruktur	Verbrauch nicht erneuerbarer Ressourcen	Dauerhafterer und materialeffizienterer Beton

Wie sich der neue Beton in der Praxis verhält

Rezepturen, Tests und derzeitige Grenzen

Um belastbare Ergebnisse zu erzielen, variierte das australische Team die Zusammensetzung der Geopolymere mit DβS. Untersucht wurden unterschiedliche alkalische Aktivatoren, das Verhältnis zwischen Rückstand und weiteren Zuschlagstoffen sowie die Aushärtung bei Raumtemperatur.

Einige Mischungen erzielten besonders gute Ergebnisse und erreichten Festigkeiten, die mit denen üblicher Betone für gängige Bauwerke vergleichbar oder in einzelnen Fällen sogar höher waren. Auch gegenüber traditionellen Geopolymeren auf Aschebasis hielt die Leistung stand. Hinzu kommt ein deutlicher Umweltvorteil: eine geringere Abhängigkeit von Kohle und deren Nebenprodukten.

Bevor diese Materialien breit eingesetzt werden können, sind weitere Validierungsschritte nötig. Dazu zählen eine einheitliche Qualitätsbewertung von DβS aus verschiedenen Minen, Langzeituntersuchungen zur Dauerhaftigkeit, das Verhalten bei Feuchtigkeits-, Hitze- und Kältezyklen, die Auswirkungen chemischer Angriffe sowie die Vereinbarkeit mit Baunormen.

Der wissenschaftliche Durchbruch ist im Labor bereits gelungen; als Nächstes muss dieses Wissen in ein zertifiziertes, preislich wettbewerbsfähiges und skalierbares Produkt überführt werden.

Mögliche Einsatzbereiche für Beton mit DβS

Unter realistischen Bedingungen dürfte Beton mit DβS zunächst in kontrollierten Anwendungen mit geringerem statischem Risiko eingesetzt werden. Mit zunehmender Praxiserfahrung könnte sein Einsatzbereich wachsen. Naheliegende Anwendungen sind:

• Beläge für Gehwege, Parkplätze und Radwege;
• Blöcke für Stützmauern, nichttragende Wände und Fertigteile;
• nicht kritische Infrastruktur wie leichte Industriehallen und temporäre Bauwerke;
• Pilotprojekte im sozialen Wohnungsbau, gekoppelt an Innovationsprogramme.

Langfristig könnten bei bestätigter Dauerhaftigkeit auch Brücken, Viadukte und mehrgeschossige Gebäude in Betracht kommen.

Weitere Ansätze zur „Dekarbonisierung“ von Beton

Bakterien, Holz und Selbstheilung

Die Suche nach saubereren Betonen ist nicht neu. Forschungsgruppen weltweit arbeiten an Alternativen und Ergänzungen zur klassischen Portlandzementroute. Zu den am häufigsten diskutierten Ansätzen gehören:

• Pulver mit getrockneten Bakterien, die bei Kontakt mit Wasser, Harnstoff und Kalzium reaktiviert werden und Biokitt erzeugen, der Sandkörner und Risse „verklebt“;
• Betone mit Enzym-Mikrokapseln, die bei der Entstehung von Rissen aufbrechen und Heilmittel freisetzen, welche die Heilung von Knochen nachahmen;
• Projekte, die Holzreste in zementartige Zusatzstoffe umwandeln, Klinker teilweise ersetzen und die CO₂-Intensität je Kubikmeter senken.

Keine dieser Methoden löst für sich allein das weltweite Emissionsproblem des Bauwesens. Zusammen weisen sie jedoch auf einen Wandel in der Branche hin, die dem Lebenszyklus von Baustoffen und den Möglichkeiten der Wiederverwendung von Reststoffen mehr Aufmerksamkeit schenkt.

Risiken, Vorsorge und die nächsten Schritte

Die großflächige Wiederverwertung industrieller Rückstände wirft stets Sicherheitsfragen auf. Bei DβS werden Behörden und Anwohnende klare Antworten zum möglichen Auswaschen chemischer Elemente, zu Auswirkungen auf das Grundwasser und zur Luftqualität bei der Verarbeitung sowie bei künftigen Abbrüchen erwarten.

Toxikologische Prüfungen, Simulationen über Jahrzehnte der Nutzung und unabhängige Analysen können Vertrauen schaffen. Ein sensibler Punkt ist die unterschiedliche Zusammensetzung: Jede Lithiummine verfügt über ein eigenes Erzprofil. Daher könnten eine chargenweise Klassifizierung oder standardisierte Verarbeitungswege erforderlich sein, damit der fertige Beton verlässlich dieselbe Leistung und Sicherheit bietet.

Wie dies Städte und Bauprojekte in Brasilien beeinflussen könnte

Brasilien steckt beim Lithiumabbau im Vergleich zu Australien und Chile noch in den Anfängen, positioniert sich jedoch zunehmend als bedeutender Lieferant. Sollte sich die DβS-Route durchsetzen, könnten sich Chancen ergeben für:

• Partnerschaften zwischen Bergbauunternehmen, Universitäten und örtlichen Herstellern von Betonfertigteilen;
• neue Industriecluster für regionale Geopolymerbetone, die Reststoffe aus der Nähe der Baustellen verwenden;
• öffentliche Projekte, die einen Mindestanteil recycelter Inhalte bei Infrastrukturmaßnahmen vorschreiben.

Die mögliche Wirkung lässt sich an einem großen Logistikkomplex in der Nähe eines Lithiumabbaugebiets veranschaulichen. Statt Rückstände per Lkw über weite Strecken abzutransportieren, könnten diese zu Betonwerken umgeleitet werden. Das würde Transporte verringern und lokale Wertschöpfung schaffen.

Begriffe wie „Geopolymer“ und „delithiiertes β-Spodumen“ wirken zwar weit vom Alltag entfernt, markieren aber genau die Schnittstelle zwischen Werkstoffchemie und Klimapolitik. Jeder Prozentpunkt Zement, der durch solche Lösungen ersetzt wird, bedeutet über Jahre von Bauprojekten hinweg Tausende Tonnen weniger ausgestoßenes CO₂.