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Graphit Drucken E-Mail
ein Material, das uns seit langem bekannt ist: die Bezeichnung dafür stammt aus dem griechischem Verb "schreiben".
 
Das hängt sicherlich mit der bekanntesten Anwendung des Materials zusammen, denn es hinterlässt auf Pergament und später auf Papier Spuren und erlaubt so das Schreiben und Zeichnen.
 
Bereits in der prähistorischen Zeit wurde Graphit von den Menschen verwendet, so im Mesolithikum in Norditalien, wo es als Färbemittel benutzt wurde und als Grabbeigabe mitgegeben wurde. 
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Das Material ist an sich reiner Kohlenstoff in kristalliner Form. Wir kennen zwei weitere Materialien aus kristallinem Kohlenstoff einmal der Diamant und, weniger bekannt, Furellen.
 
Das Material wird in Bergwerken sowohl im Tagbau wie meist im Untertagbau gewonnen und zwar in China, Brasilien, Korea und Madagaskar u.a.. Jährlich werden etwa nach einigen Quellen 600.000 Tonnen abgebaut, andere Quellen gehen von 1.200.000 Tonnen aus. In Deutschland wird Graphit in Kropfmühl / Landkreis Passau abgebaut, nach Wiederinbetriebnahme des Bergwerkes in 2012, nachdem die Nachfrage nach Graphit und die Marktpreise wieder einen rentablen Abbau ermöglichten.

Verwendung

Das Material wird heute in einer großen Anzahl von Verwendungen verarbeitet. 
Natürlich in Bleistiftminen, aber auch in Sportgeräten wie Tennis- und Golfschläger. In der Mechanik wird es als Schmiermittel verwendet so bei selbst schmierenden Lagern und Dichtungen. 
 
Interessant sind auch die elektrischen Fähigkeiten des Materials, wodurch es als Kohlebürste in elektrischen Motoren verwendet wird und überhaupt als Elektrode in immer größerem Ausmaß bei Lithium-Ionen-Zellen und Zink-Kohle-Batterien. 
 
Graphit wird auch in größeren Mengen bei Brennstoffzellen benötigt und es dürfte ein starker Bedarf in diesem Segment entstehen, sobald die Brennstoffzellen in Breite zur Stromerzeugung in Fahrzeugen angewendet werden.
Bis 1990 wurde Graphit auch bei Atomreaktoren als Moderator bei Kugelhaufenreaktoren und als Matrix für Brennelemente verwendet. Durch die Brände von Sellafield und später Tschernobyl haben Sicherheitsbedenken die Weiterverwendung gestoppt. Allerdings soll China wieder mit Graphit in AKW planen. Es wird berichtet, dass es weltweit ca. 250.000 Tonnen Nukleargraphit gibt, davon 1.000 Tonnen alleine in Deutschland, mit einem hohen C-14 Isotop Anteil (Halbwertzeit des Isotops: 5700 Jahre), für die es keine akzeptable Endlagerstrategien gibt.
Eine neuere und besondere Verwendung sollte im Zusammenhang mit Graphit gesondert erwähnt werden: Kohlefaser.

Kohlefaser

Graphit ist ein Material das in Richtung der atomaren Struktur besonders stabil ist. Gelingt es also das Material in dieser Richtung zu formen, kann es zu sehr bruchfeste Fasern, also zu Kohlenfasern, verarbeitet werden. Dieses Material ist sehr leicht. Eine Kohlefaser hat einen Durchmesser von etwa ca. 1/10 eines menschlichen Haares, für die Weiterverwendung werden Fäden (Rovings) von 1.000 bis 50.000 Fasern angeboten.
 
Verwebt man diese Fasern, fast so wie bei einem Wollstoff, dann erhält man eine sehr stabile Fläche, die in Kunststoff eingelassen und verformt werden kann und sehr stabile und sehr leichte Formteile ermöglicht. 
Zuerst hat wohl dieses Material in den Fahrradbau Einzug gehalten. Es werden vor allem Profi-Rennräder vollständig aus diesem Material hergestellt mit erheblichen Gewichtsvorteilen.
 
Der Flugzeugbau hat diese Vorteile mit als erste Industrie in die Praxis umgesetzt, so sind Seitenruder bei Airbus aus diesem Material, Boeing ging einen Schritt weiter und hat den Rumpf des Dreamlinier 787 aus Kohlenfasern hergestellt. Natürlich ist eine solche neue Technologie immer auch ein Lernprozess, zumal diese Karosserieteile nicht mehr verschraubt sondern verklebt werden. Die Verzögerung über mehrere Jahre bei der Auslieferung des Dreamlinier waren wesentlich auf Klebe- und Verarbeitungsprobleme dieser neuen Teile zurückzuführen.
 
Auch der Automobilbau hat die Vorteile dieser Entwicklung gesehen. Zuerst in Rennfahrzeugen wie die Formel 1, wo jedes Gramm zählt. 
 
Tatsächlich ist es so, dass zum Tragen einer größeren PKW Motorhaube aus Stahl zwei starke Männer mit beiden Armen und Händen benötigt werden, bei Aluminium nur noch 1-2 Mann mit beiden Armen. Bei Kohlefaser Material würde ein Man/Frau mit 2 Fingern reichen ? so groß ist der Unterschied.
 
Daher ist es nur folgerichtig, dass sich die Automobilhersteller intensiv mit diesem Material beschäftigen, weil geringeres Gewicht zu geringem Benzinverbrauch führt.
 
Zuerst kam der Erwerb einer Beteiligung (BMW und später VW beide bei SGL Carbon, ein Pionier des Materials). Letztes Jahr gab BMW bekannt, dass man in die Kohlefasern Herstellung und Verarbeitung intensiv investieren will mit dem Ziel der Massenfertigung. Die Investitionen erfolgen in 2 Standorten: einmal USA, wo die energieintensive Produktion der Kohlefasern stattfinden soll, dann in Deutschland, wo die nachfolgende Fertigung von Teilen aus der amerikanischen Faserproduktion erfolgt.
 
Ziel ist es, leichtere und daher verbrauchsärmere Fahrzeuge herzustellen ? und einen neuen Produktionsprozess zu verstehen und meistern, der in Zukunft federführend sein dürfte. Gut für BMW!
 
Auch im Schiffsbau ist die Kohlefaser angekommen ? natürlich nicht bei den Container- oder Erztransportern, hier herrscht die herkömmliche Stahltechnik. Aber wer als Segel-Begeisterter die letztjährige Volvo Ocean Race, ein Rennen um die ganze Welt, verfolgt hat, der bekam einen Eindruck davon, wo der Schiffsbau von leichten und sehr schnellen Booten hingeht. Wer das Rennen, das über mehrere Monate ging, näher verfolgt hat, wird die Bilder in Erinnerung haben von Booten mit Mastbruch und Bruch des Rumpfes, wodurch die Besatzung, zum Chemiearbeiter mutierend, mit Atemmaske und Dekontaminationsbekleidung gezwungen waren den Rumpf mitten auf dem südpazifischen Ozean neu zu verkleben ? auch ein Lernprozess.
 
Ein Hersteller von Katamaran Boote ragt heraus: Gunboat aus Südafrika, inzwischen in Amerika und China beheimatet. Diese Katamarane haben durch Verwendung von Kohlefasern ganz erheblich an Gewicht verloren (man spricht von ca. 12 Tonnen) bei einer Länge von 65 Fuß und die Boote nehmen auch bei mittlerer Brise stark Fahrt auf. 20 bis 25 Knoten sind immer drin und Ozeanfahrten sind wesentlich kürzer!

Graphit Minen

Für Graphit Minen Betreiber ist die Kohlefaser auch eine große Hoffnung. Aber realistisch scheint da die Fahrtrichtung eine andere zu sein. 
 
Ausgangsmaterial für industrielle Kohlenfaser ist das Erdölderivat Polyacrylnitril, mit einem nachfolgenden energieintensiven Verarbeitungsprozess. Die Fertigungsmethode zur Gewinnung von Fasern scheint etabliert zu sein, allerdings werden die Details weniger öffentlich bekannt gemacht,  um das Firmen Know-How zu schützen. 
Das Ausgangsmaterial wird in einer ersten Phase auf ca. 1300-1500° C ohne Sauerstoff erhitzt und verliert so Verunreinigungen. In einem zweiten Prozess mit Temperaturen von 1600° C und ohne Sauerstoff, genannt ?Graphitisierung?, wird dann die Faser gezogen und gebündelt. Dieses Material hat eine leicht andere atomare Struktur als das natürlich vorkommende Graphit.
 
Der dritte Prozess wird in einer Autoklave erledigt und ist die Formgebung der gewobenen Kohlefaser auf dem Kunststoffträger zum fertigen Karosserieteil ? eben unsere Motorhaube.
 
Die Verarbeitung und Verwendung von Kohlefasern ist erst am Anfang, es werden sich vermutlich neue Perspektiven in Zukunft ergeben. 

Graphen

Am Horizont für Graphit Minen ist aber ein Material: Graphen. 
 
Dieses Material gibt es erst seit 2004 und genießt hohe Aufmerksamkeit in der Forschung, nicht zuletzt durch 2 Nobelpreise in 2010. 
 
So hat die Europäische Kommission, deren hohe Weisheit die Bürger Europas langsam zu fürchten beginnen, hier auch mal eine gute Einsicht und fördert in 2013 die Forschung dafür mit 1 Milliarde Euro.
 
 Stand heute kann Graphen nur aus Graphit gewonnen werden. 
 
Graphen ist ca. 200x stärker als Stahl, hat eine ca. 10x bessere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer und ist dabei sehr flexibel. Es gibt sehr viele Anwendungsgebiete, die davon profitieren könnten, das Rennen hat begonnen um die Grundlagen- und Fertigungsforschung abzuschließen und mit einer Vielzahl von Patenten zu sichern. Graphen wird viele Gegenstände und Anwendungen revolutionieren.
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