Delithiertes β-Spodumen: Grüner Beton aus Batterieabfällen

Auf einem Planeten voller Gebäude, Hochstraßen und Autobahnen bündelt ein unscheinbarer Werkstoff einen erheblichen Anteil der weltweiten Klimabelastung.

Beton trägt fast alles, was wir als „moderne Zivilisation“ bezeichnen. Gleichzeitig ist seine Umweltbilanz schwerwiegend. Forschende in Australien berichten nun von einem unerwarteten Ansatz, diesen Schaden zu verringern: Sie nutzen einen Rückstand, der beim weltweiten Wettlauf um Lithiumbatterien entsteht.

Ein Ozean aus Beton und eine bittere Klimabilanz

Die Menschheit stellt jährlich rund 30 Milliarden Tonnen Beton her. Rechnerisch verlassen damit pro Sekunde etwa 952 Tonnen Fabriken und Mischanlagen. Städte, Straßen, Staudämme und Flughäfen bestehen aus diesem unauffälligen, grauen und scheinbar gewöhnlichen Material.

Hinter dieser gewaltigen Menge steht jedoch eine hohe Belastung: Beton auf Basis von Portlandzement verursacht laut aktuellen IPCC-Berichten ungefähr 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen. Damit ist er für sich genommen klimaschädlicher 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 der Zement – das Pulver, das Sand, Kies und Wasser zusammenbindet. Bei seiner Herstellung verbrennen Brennöfen mit extrem hohen Temperaturen fossile Energieträger; zudem setzt die Zersetzung von Kalkstein unmittelbar CO₂ frei. Diese doppelte Emissionsquelle lässt sich mit herkömmlichen Technologien nur schwer vermeiden.

Von Batterieabfällen zu „grünem Beton“

Was hinter delithiertem β-Spodumen steckt

Am anderen Ende der Klimafrage steht Lithium, ein Schlüsselmetall für Batterien in Elektroautos, Mobiltelefonen, Laptops und Energiespeichersystemen. Auch Gewinnung und Raffination dieses Metalls verursachen Umweltauswirkungen und Hinterlassenschaften. Dazu zählt delithiertes β-Spodumen, in der Fachliteratur als DβS bezeichnet.

DβS fällt als Nebenprodukt bei der Lithiumraffination an: ein fester Stoff in Pulverform oder als Bruchmaterial, der üblicherweise in Rückstandslagern, Deponien oder offenen Halden landen würde. Er benötigt Fläche, kann Staub verursachen, erfordert Umweltüberwachung und findet bislang kaum eine grossindustrielle Verwendung.

Ein Team der Flinders University in Australien unter Leitung von Professor Aliakbar Gholampour hat diese Sichtweise umgedreht. Statt DβS als Belastung anzusehen, betrachteten die Forschenden es als möglichen Baustoff.

Geopolymere als Alternative zu Portlandzement

Das Team untersuchte DβS in einer Betonart, die sich grundlegend von herkömmlichem Beton unterscheidet: Geopolymerbeton. Portlandzement kommt in diesem System nicht zum Einsatz. Stattdessen bildet eine Mischung aus silizium- und aluminiumreichen Materialien – etwa Aschen oder industriellen Schlacken – die Grundlage. Alkalische Lösungen aktivieren darin Polymerisationsreaktionen.

Als die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler DβS in diese Matrix einbrachten, zeigte sich, dass der Rückstand als Zusatzstoff dienen und teilweise andere Ausgangsmaterialien wie Flugasche aus Kohlekraftwerken ersetzen kann. Das Ergebnis war bemerkenswert.

Die Tests zeigten eine höhere mechanische Festigkeit und eine verbesserte Dauerhaftigkeit, mit dem Potenzial, herkömmliche Betone in bestimmten Rezepturen zu übertreffen.

Anders gesagt: Ein Abfallstoff aus der Batterieindustrie könnte zu einer strukturellen Verstärkung in Beton mit geringerem CO₂-Fussabdruck werden.

Weniger Rückstände, mehr Kreislaufwirtschaft

Warum diese Lösung Aufmerksamkeit verdient

Der australische Ansatz verbindet unmittelbar zwei parallel wachsende Herausforderungen: die stark steigende Lithium-Nachfrage und die Notwendigkeit, Emissionen im Bauwesen zu senken. Diese Verbindung von Bergbau und Beton kann mehrere direkte Effekte haben:

• geringere Mengen an Rückständen aus der Lithiumraffination, die auf Deponien oder in industrielle Rückhaltebecken gelangen;
• weniger Bedarf an herkömmlichen Rohstoffen mit erheblichen Umweltauswirkungen, etwa Kohleflugasche und Zementklinker;
• wirtschaftliche Aufwertung eines Materials, das heute Lager- und Umweltkontrollkosten verursacht;
• konkrete Annäherung an die Kreislaufwirtschaft, bei der ein Nebenprodukt eines Sektors zum hochwertigen Einsatzstoff eines anderen wird.

Diese Wiederverwertung wird umso bedeutsamer, weil der Lithiumbergbau mit der Elektrifizierung des Verkehrs voraussichtlich weiter wachsen wird. Jede zusätzlich produzierte Megawattstunde Batteriekapazität erzeugt zugleich Rückstandsströme, die sicher behandelt werden müssen.

Herausforderung	Aktuelles Risiko	Rolle von DβS im Beton
Lithiumrückstände	Ansammlung in Halden, mögliche Kontamination	Umwandlung in einen Baustoff
Zementemissionen	Hohe CO₂-Menge pro Tonne Klinker	Teilweiser Ersatz durch eine Geopolymermatrix
Infrastrukturbedarf	Verbrauch nicht erneuerbarer Ressourcen	Dauerhafterer und materialeffizienterer Beton

Wie sich der neue Beton in der Praxis verhält

Rezepturen, Tests und gegenwärtige Grenzen

Um belastbare Ergebnisse zu erzielen, veränderte das australische Team die Zusammensetzung der Geopolymere mit DβS: die Art der alkalischen Aktivatoren, das Verhältnis zwischen Rückstand und anderen Zuschlagstoffen sowie die Aushärtungsbedingungen bei Raumtemperatur.

Einige Mischungen erwiesen sich als besonders vielversprechend und erreichten Festigkeiten, die mit gewöhnlichen Betonen für übliche Bauwerke vergleichbar oder in einzelnen Fällen sogar höher waren. Auch gegenüber klassischen Geopolymeren auf Aschebasis konnte das Material mithalten – bei einem klaren Umweltvorteil: einer geringeren Abhängigkeit von Kohle und deren Nebenprodukten.

Vor einem breiten Einsatz müssen diese Materialien allerdings noch weitere Validierungsschritte bestehen: eine einheitliche Qualitätsbewertung von DβS aus unterschiedlichen Minen, Langzeituntersuchungen zur Dauerhaftigkeit, Verhalten bei Feuchtigkeits-, Wärme- und Kältezyklen, Auswirkungen chemischer Angriffe sowie die Vereinbarkeit mit Baunormen.

Der wissenschaftliche Durchbruch ist im Labor bereits gelungen; die nächste Aufgabe besteht darin, dieses Wissen in ein zertifiziertes, preislich wettbewerbsfähiges und skalierbares Produkt zu überführen.

Wo DβS-Beton eingesetzt werden könnte

In einem realistischen Szenario würde Beton mit DβS zunächst in kontrollierten Anwendungen mit geringerem strukturellem Risiko verwendet und sich mit zunehmender Praxiserfahrung weiter etablieren. Naheliegende Einsatzfelder sind:

• Beläge für Gehwege, Parkplätze und Radwege;
• Blöcke für Stützmauern, nichttragende Wände und Fertigteile;
• nicht kritische Infrastruktur wie leichte Industriehallen und temporäre Bauwerke;
• Pilotvorhaben im sozialen Wohnungsbau, die mit Innovationsprogrammen verbunden sind.

Mit der Zeit könnten auch Brücken, Hochstraßen und mehrgeschossige Gebäude in Betracht kommen, sofern sich die Ergebnisse zur Dauerhaftigkeit bestätigen.

Weitere Ansätze zur „Dekarbonisierung“ von Beton

Bakterien, Holz und Selbstheilung

Die Suche nach saubererem Beton ist nicht neu. Forschungsteams weltweit arbeiten an Alternativen und Ergänzungen zur klassischen Portlandzement-Route. Zu den am häufigsten diskutierten Ansätzen gehören:

• Pulver mit getrockneten Bakterien, die durch Wasser, Harnstoff und Kalzium reaktiviert werden und anschliessend Biozement erzeugen, der Sandkörner und Risse „verklebt“;
• Beton mit Enzym-Mikrokapseln, die beim Entstehen von Rissen aufbrechen und Heilmittel freisetzen, welche die Heilung von Knochen nachahmen;
• Projekte, die Holzreste in zementartige Zusatzstoffe umwandeln, Klinker teilweise ersetzen und die Kohlenstoffintensität pro Kubikmeter verringern.

Keiner dieser Ansätze kann für sich allein das weltweite Emissionsproblem des Bauwesens lösen. Zusammen zeigen sie jedoch einen Sektor im Wandel, der den Lebenszyklus von Baustoffen und die Wiederverwendung von Reststoffen stärker berücksichtigt.

Risiken, Vorsichtsmassnahmen und nächste Schritte

Die grossflächige Wiederverwertung industrieller Rückstände wirft stets Sicherheitsfragen auf. Bei DβS werden Behörden und Anwohnende klare Antworten zu einer möglichen Auslaugung chemischer Elemente, zu Auswirkungen auf das Grundwasser und zur Luftqualität während der Verarbeitung sowie bei späteren Abbrüchen verlangen.

Toxikologische Tests, Simulationen über Jahrzehnte der Nutzung und unabhängige Analysen können Vertrauen schaffen. Ein kritischer Punkt ist die Schwankungsbreite: Jede Lithiummine verfügt über eine eigene Erz-Zusammensetzung. Deshalb könnten Chargeneinstufungen oder standardisierte Verarbeitungswege erforderlich werden, damit der fertige Beton vorhersehbare Leistungs- und Sicherheitsmerkmale aufweist.

Wie sich das auf Städte und Bauprojekte in Brasilien auswirken könnte

Brasilien steht beim Lithiumbergbau im Vergleich zu Australien und Chile noch am Anfang, positioniert sich jedoch zunehmend als relevanter Lieferant. Sollte sich die DβS-Route durchsetzen, könnten sich Möglichkeiten ergeben für:

• Partnerschaften zwischen Bergbauunternehmen, Universitäten und regionalen Herstellern von Betonfertigteilen;
• neue Industriezentren für regionale Geopolymerbetone, die Rückstände in der Nähe der Baustellen nutzen;
• öffentliche Projekte, die für Infrastrukturarbeiten einen Mindestanteil recycelter Inhalte verlangen.

Das mögliche Ausmass lässt sich an einem grossen Logistikkomplex nahe einer Lithiumförderregion verdeutlichen. Statt Rückstände mit Lastwagen weit entfernt abzulagern, könnte dieser Strom zu Betonwerken umgeleitet werden. Das würde Transporte verringern und lokale Wertschöpfung schaffen.

Begriffe wie „Geopolymer“ und „delithiertes β-Spodumen“ wirken im Alltag weit entfernt. Doch genau sie markieren die Schnittstelle zwischen Materialchemie und Klimapolitik. Jeder Prozentpunkt Zement, der durch solche Lösungen ersetzt wird, bedeutet über Jahre von Bauprojekten hinweg Tausende Tonnen weniger ausgestossenes CO₂.