Flash Joule Prozess

Flash Joule Heating: Die Blitz-Revolution für das Recycling und die Rohstoffgewinnung

In einer Welt, die händeringend nach nachhaltigen Lösungen für den rasant steigenden Rohstoffbedarf sucht, könnte eine Entdeckung aus den Laboren der USA den entscheidenden Durchbruch liefern. Der Flash Joule Heating (FJH) Prozess verspricht nicht weniger als eine Revolution der Materialwissenschaft: Schneller, sauberer und effizienter als alles, was wir bisher kannten.

Der Ursprung: Ein Geistesblitz aus Houston

Entwickelt wurde das Verfahren maßgeblich von der Forschungsgruppe um Professor James Tour an der Rice University in Houston, Texas. Ursprünglich im Jahr 2020 vorgestellt, um Graphen kostengünstig aus Abfallprodukten herzustellen, erkannte das Team schnell, dass die physikalischen Grundlagen des Verfahrens ein weitaus größeres Potenzial bieten – insbesondere für die Kreislaufwirtschaft.

Die Technik: Hitze im Millisekunden-Takt

Die technische Grundlage des Flash Joule Heating ist bestechend einfach und dennoch physikalisch hochkomplex. Das Verfahren nutzt den elektrischen Widerstand eines Materials aus. So funktioniert es:

Vorbereitung: Das Ausgangsmaterial (z. B. Kunststoff, Kohle oder zerkleinerter Elektroschrott) wird in ein Quarzrohr gefüllt und zwischen zwei Elektroden leicht komprimiert.
Der Stromstoß: Ein massiver Stromstoß aus einer Hochspannungs-Kondensatorbatterie wird durch das Material geleitet.
Die Reaktion: Innerhalb von weniger als 10 Millisekunden (ein Wimpernschlag dauert ca. 100-400 ms) heizt sich das Material auf Temperaturen von über 3.000 Kelvin (2.700°C bis 3.000°C) auf.
Transformation: Durch diese extreme, schlagartige Hitze werden chemische Bindungen aufgebrochen. Unerwünschte Elemente verdampfen, während das Zielmaterial (wie Graphen oder Metalle) in eine neue, reine Form übergeht.

Revolution im Recycling von Elektronikschrott

Elektronikschrott ist die am schnellsten wachsende Abfallart weltweit. Bisherige Methoden wie die Hydrometallurgie (Säurebäder) oder Pyrometallurgie (Schmelzöfen) sind entweder extrem zeitaufwendig oder belasten die Umwelt durch giftige Gase und Schlämme. Hier setzt FJH als "Urban Mining"-Turbo an:

Selektive Verdampfung: Da verschiedene Metalle unterschiedliche Dampfdrücke haben, können sie durch gezielte Stromstöße nacheinander verdampft und in separaten Kühlfallen wieder aufgefangen werden.
Rückgewinnung von Edelmetallen: Gold, Silber, Palladium und Kupfer können so mit einer Effizienz von über 80 % extrahiert werden. Auch die Extraktion von Seltenerdmetallen kann selektiv erfolgen und die Aufreinigung erleichtern.
Umweltvorteil: Das Verfahren benötigt keine Wasser- oder Säurebäder und verbraucht im Vergleich zu herkömmlichen Schmelzöfen bis zu 90 % weniger Energie, da nur das Material selbst und nicht der gesamte Ofen geheizt wird.

Ein neuer Weg für die Lithium-Extraktion

Mit dem Boom der Elektromobilität ist Lithium zum „weißen Gold“ geworden. Die herkömmliche Gewinnung ist jedoch problematisch (hoher Wasserverbrauch in Südamerika oder energieintensiver Bergbau).

Der Flash-Joule-Prozess bietet hier zwei spannende Ansätze:

Extraktion aus Altbatterien: FJH kann gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien in Millisekunden zersetzen. Das Lithium wird dabei in eine lösliche Form überführt, die sich mit minimalem Einsatz von schwachen Säuren auswaschen lässt.
Gewinnung aus Gestein: Auch bei der Primärgewinnung aus Spodumen-Erz könnte FJH herkömmliche Röstprozesse ersetzen. Die schlagartige Erhitzung führt zu winzigen Rissen im Gestein, wodurch das Lithium chemisch viel leichter zugänglich wird.

Der direkte Vergleich: FJH vs. Konventionelle Methoden

Im direkten Vergleich mit der herkömmlichen Lithiumgewinnung und dem Batterierecycling (Pyrometallurgie und Hydrometallurgie) zeigen sich drastische Vorteile:

Zeit und Geschwindigkeit Während herkömmliche Prozesse oft Tage oder sogar Monate (bei der Verdampfung in Salzseen) in Anspruch nehmen, reduziert FJH die Kernreaktionszeit auf Bruchteile von Sekunden. Ein "Röstprozess", der im Ofen Stunden dauert, ist hier im Handumdrehen erledigt.

Energieeffizienz und Kosten Die Energieeinsparung ist massiv: Da nur das Material selbst und nicht ein ganzer Industrieofen dauerhaft beheizt werden muss, sinkt der Energieverbrauch bei der Rückgewinnung von Batteriemetallen Schätzungen zufolge um bis zu 90%. In der Spodumen-Verarbeitung kann der Energiebedarf sogar um den Faktor 100 bis 700 niedriger liegen als bei konventionellen Methoden. Dies schlägt sich direkt in den Betriebskosten nieder, die laut Technowirtschafts-Analysen um fast die Hälfte (ca. 49%) unter denen klassischer Recyclingverfahren liegen können.

Umweltbelastung FJH ist ein „trockener“ Prozess. Es benötigt im ersten Schritt weder Unmengen an Wasser noch aggressive Säuren oder Laugen. Dadurch entfällt die Produktion riesiger Mengen giftiger Abwässer, die normalerweise in der Hydrometallurgie anfallen. Zudem ist das Verfahren rein elektrisch und kann somit vollständig mit grünem Strom betrieben werden.

Ausblick: Vom Labor in die Industrie

Derzeit befindet sich das Flash Joule Heating an der Schwelle zur industriellen Anwendung. Während die Pilotanlagen im Labor bereits eindrucksvoll funktionieren, liegt die Herausforderung nun in der Skalierung.

Firmen wie Universal Matter arbeiten bereits daran, das Verfahren für die Graphen-Produktion zu kommerzialisieren. Für das Metall-Recycling bedeutet der Sprung in die Industrie:

Kontinuierliche Prozesse: Entwicklung von Förderbändern, die das Material im „Dauerfeuer“ durch die Blitz-Zone leiten.
Automatisierte Trennung: Perfektionierung der Gas-Abscheidung, um verschiedene Metalle direkt sortenrein zu gewinnen.

Wenn es gelingt, FJH-Anlagen dezentral einzusetzen – zum Beispiel direkt in Recyclinghöfen –, könnte das den weltweiten Transport von Elektroschrott überflüssig machen. Wir stehen vor einer Zukunft, in der unsere Abfälle nicht mehr vergraben oder verschifft, sondern einfach mit einem Blitzschlag zurück in den Rohstoffkreislauf katapultiert werden.