DE102018002067A1

DE102018002067A1 - Verfahren zur Wiederverwertung von Materialien in der Schwerelosigkeit und eine Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE102018002067A1
Application number: DE102018002067.4A
Authority: DE
Inventors: Leni Termann; Adrian Schorowsky; Lara Maria Neubert
Original assignee: Individual
Current assignee: Neubert Lara Maria De; Termann Leni De
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19

Abstract

Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit, wobei ein Recyclingstoff vorbereitet und zum 3D-Druck verwendet wird, umfassend die Verfahrensschritte- Zerkleinerung des Recyclingstoffes in schmelzbare Bestandteile,- Schmelzen der schmelzbaren Bestandteile unter Zuführung von Druck zu einem Schmelzergebnis, wobei das im Recyclingstoff enthaltene Gas entweicht,- Zerkleinern des Schmelzergebnisses- Granulieren des Recyclingstoffes und- Zuführen zum 3D-Druck.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen in der Schwerelosigkeit und eine Vorrichtung dazu.
Darstellung der Erfindung
Im Weltraum ist derzeit mit über 750.000 Teilen belastet, die ca. 6 500 Tonnen schweren Schrott ergeben. Besonders mittel- und langfristig gesehen, wird sich das Problem stark verschärfen. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei große Objekte im Orbit kollidieren und somit weitere Splitter und Trümmer hervorrufen, diese wiederum weitere Kollisionen und letztendlich eine Kettenreaktion auslösen, wird immer höher. Ein solches Risiko kann zum Beispiel durch nicht verwendbare Raketenteile, Satelliten, Trümmerstücke, Werkzeuge oder generellen Abfall der Astronauten entstehen. Dieses minimiert nicht nur das Nutzungspotenzial, sondern erhöht auch die Gefahr mit einem dieser Bruchstücke zusammenzustoßen, sowohl für die Raketen und Astronauten im Weltall, als auch für die Menschen auf der Erde. Es vervielfachen sich die Ausfälle der technischen Geräte beziehungsweise der Satelliten, die eine bedeutende Rolle auf der Erde für die Navigation und Kommunikation spielen.
Der Müll, so gefährlich und verbraucht dieser auch ist, erhält im Weltraum einen besonderen Wert und macht ihn zu einem sehr teuren Rohstoff. Denn dieses Material, was nun seine Verwendungszwecke erfüllt hat, musste zuvor ins All geschafft werden, was bereits Kosten verursacht hat. Die Kosten für die Beförderung eines Kilogramms belaufen sich aktuell auf 10.000 Dollar, mit steigender Tendenz. Dazu kommt das Problem der Ersatzteile im Weltraum. Diese sind nur begrenzt oder gar nicht vorhanden. Ersatzteile nehmen viel Lagerplatz ein oder müssen geliefert werden, was erhebliche Kosten und sehr viel Zeit beansprucht. Dies führt zu Einschränkung Reparaturmöglichkeiten.
Daher wurde über ein umfangreiches Materialrecycling im Weltraum nachgedacht, das jedoch an seine Grenzen stößt. Neben den zahlreichen Metallen, Magnesium-Beryllium-Teilen, grafitverstärkten Kunststoffen und Mylarfolien, die als Satellitenschrott durch das Weltall wandern, kommen noch andere Abfälle vor. Dazu zählt zu einem großen Teil auch der Müll der ISS, der ein ähnliches Spektrum wie auf der Erde aufweist und bisher mit den Transportkapseln zusammen durch das Verglühen entsorgt wurde. Dazu gehören z.B. verschmutzte Kleidung, Abfälle organischer Art, gebrauchte Reinigungstücher, Abwasser und nicht mehr benötigte Hardware für Experimente. So wurden 3D-Drucker entwickelt, die aus Recycling gewonnene Kunststoffe in Filament-Form dem Druck zuführen. Dafür darf gattungsbildend die Schrift EP 3 238 916 A1 als Stand der Technik genannt werden. Die dort verwendeten Filamente können allerdings nicht ohne Weiteres in der Schwerelosigkeit genutzt werden, bzw. sind dort so nicht als Rohmaterial verfügbar. Sie bedürfen einer Vorbereitung oder der teuren Zulieferung.
Es fallen sehr viele unterschiedliche Abfallprodukte an. Zum einen sind das gebrauchte Reinigungstücher und Kleidungsstücke, die hauptsächlich aus Baumwolle und gelegentlich aus Papier bestehen. Allerdings sind diese nach Gebrauch verschmutzt und können aufgrund des begrenzten Vorhandenseins der Ressource Wasser im Weltall nicht gereinigt werden, sodass sie nur sehr begrenzt recyclebar sind.
Des Weiteren gehören auch Lebensmittelverpackungen zum Müllspektrum. Diese treten in relativ häufiger Anzahl auf, da die Astronauten aufgrund der Schwerelosigkeit mehr zu sich nehmen müssen, um ihre Knochen und Muskeln nicht zu stark zu degenerieren. Die Lebensmittelverpackungen bestehen aus Plastik, welches man zur Herstellung anderer Produkte verwenden kann. Allerdings sind die stofflich uneinheitlichen Verpackungen stark verschmutzt und lassen sich nicht zur Herstellung anderer Produkte verwenden.
Ebenso fallen in der Regel viele „Ziplocks“ als Müll an. Das sind verschließbare Plastikbeutel, in denen die Astronauten ihre Dinge aufbewahren. Beim Verbrauch der Beutel bleiben diese zurück und könnten für die Herstellung anderer Objekte verwendet werden. Die Ziplocks sind nach Gebrauch leider ebenfalls verunreinigt, und können, wie auch schon die Lebensmittelverpackungen, nicht im Weltraum gereinigt werden, sodass man sie ebenfalls nicht wiederverwenden kann.
Die Astronauten arbeiten in der Regel täglich an vielen Experimenten, die sie zuvor von den Forschungsinstituten auf der Erde geschickt bekommen haben. Nachdem die Experimente beendet wurden, müssen diese Anlagen als Müll wieder entsorgt werden. Dieser Schritt ist notwendig, da der Platz in Raumstationen nur sehr begrenzt ist. Leider bestehen die Experimentanordnungen meist nicht aus reinen Stoffen, sondern aus Stoffgemischen. Um die Materialien zu recyceln, müsste man die Stoffe erst voneinander trennen, was aktuell in der Schwerelosigkeit nicht realisierbar ist. Sollten jedoch reine Stoffe vorhanden sein, könnte man diese zur Herstellung von anderen Produkten verwenden. Dieses Problem könnte über eine entsprechende Nachhaltigkeitsrichtlinie gelöst werden, die bisher aber noch nicht existiert.
Daher wurde ein so genannter „Refabricator“ entwickelt, mit dem für den 3D-Druck gebrauchte, aber in der Schwerelosigkeit nicht weiter benötigte Teile als Ausgangsmaterial recycelt werden. Der aktuelle Ansatz bezieht sich dabei auf Ultem als Material. Dieses ist gut nutzbar für den 3D-Druck und auch gut recyclebar. Als Abfall ist es aber in der Regel nicht vorhanden, so dass Ultem erst ins All transportiert werden müsste. Zudem könnte auch nur dieses Material recycelt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen in der Schwerelosigkeit bereitzustellen. Daneben soll eine Vorrichtung offenbart werden, die in der Lage ist, für das Verfahren genutzt zu werden.
Die Lösung der ersten Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei die Unteransprüche 2 bis 4 weitere Ausgestaltungen beschreiben. Die weitere Aufgabe wird durch Anspruch 5 gelöst, wobei die hier abhängigen Ansprüche Ausgestaltungen darstellen.
Ein bislang noch nicht genanntes, aber für die Erfindung relevantes Abfallprodukt sind die Verpackungen der Vorrichtungen für Experimente. Die Verpackungen bestehen aus Polyethylen und sind aus Gründen der Belastbarkeit beim Raketenstart und des Brandschutzes standardisiert. Zur Gewichtsersparnis ist das Polyethylen leicht aufgeschäumt. Aus Brandschutzgründen erfolgt dies mit Kohlenstoffdioxid. Es ist kaum verunreinigt und kann bereits bei geringen Temperaturen eingeschmolzen und weiterverarbeitet werden. Zurzeit hat man keine weiteren Verwendungszwecke für das Material und schickt es mit Transportkapsel in Richtung Erde zurück. Es verglüht schließlich in der Erdatmosphäre.
Chemisch betrachtet handelt es sich bei Kunststoffen um Makromoleküle. Diese entstehen durch die Verknüpfung von vielen Monomeren. Die einzelnen Bausteine eines Kunststoffes tragen die Bezeichnung Monomer, entsprechend werden ketten- oder netzförmige Verknüpfungen der Monomere als Polymer bezeichnet. Das Polymer Polyethylen, Kurzform PE ist ein Polyolefin, welches durch Kettenwachstumsreaktionen aus Ethen erhalten wird. Die Kettenbildung erfolgt durch die sogenannte Polymerisation. Damit wird ein Prozess bezeichnet: „bei dem die Moleküle mittels spezieller Katalysatoren ihre Doppelbindung Aufheben und sich aneinander reihen. Der Stoff PE lässt sich aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften und chemischen Struktur in die Klasse der Thermoplaste einordnen. Bei Thermoplasten handelt es sich um lange fadenförmige, unverzweigte Polymere. Durch Erwärmung lassen sie sich gut verformen, was sich auf ihre Struktur zurückführen lässt. Durch die physikalischen Wechselwirkungen, wie die Van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen, werden die unterschiedlich langen Polymer-Stränge zusammen gehalten. Wird der Stoff erhitzt geraten die Moleküle in Schwingung, sodass die oben beschriebenen Wechselwirkungen aufgehoben werden können. Folglich wird der Stoff plastisch formbar und bleibt nach Abkühlung in der neuen Form stabil.
Aufgrund der unterschiedlichen Dichte unterscheidet man Polyethylen nochmals in vier grundsätzliche Haupttypen: High Density Polyethylen, Medium Density Polyethylen, Low Density Polyethylen sowie Linear Density Polyethylen.
Beim Verpackungsmaterial, das derzeit in der Regel benutzt wird, handelt es sich um LD60. Die Struktur des Stoffes ist teilkristallin. Daraus lässt sich ableiten, dass kleinere Seitenketten in unregelmäßigen Abständen von der Hauptkette abgehen. Die regelmäßige Anordnung der Makromoleküle, sprich die Kristallisation des Stoffes wird durch die Seitenketten behindert. Der Stoff liegt mit kristallinen und amorphen Strukturen vor. Kristalline Bereiche sind energetisch günstiger als amorphe, weshalb beim Auflösen durch Erwärmung mehr Energie erforderlich ist. Bei amorphen Bereichen weisen die Makromoleküle große Seitengruppen, zahlreiche Verzweigungen oder einen unregelmäßigen Aufbau vor. Beim Abkühlen des Stoffes aus dem schmelzflüssigen Zustand bleiben die regellosen, ungeordneten Strukturen der Schmelze erhalten. Kristalline Bereiche bilden sich aus glatten Molekülen mit regelmäßigem Aufbau beim Abkühlen der strukturlosen Schmelze in einem engen Temperaturbereich.
Bei teilkristallinen Stoffen werden störende Strukturen, wie beispielsweise Verschlaufungen an den Rand der einzelnen Kristallite gedrückt. Amorphe Bereiche bilden sich zwischen den Kristalliten aus. Die Kettenmoleküle verlaufen demzufolge nur noch teilweise parallel, da sie mit ungeordneten Bereichen durchzogen sind. Da der Abstand der Ketten kleiner ist, sind die zwischenmolekularen Kräfte in den Kettenmolekülen größer.
Die Schmelztemperatur von Low Density Polyethylen liegt zwischen 105-115 °C. LD60 hat eine Dichte von 60 kg/m³. Die reguläre Zellgröße umfasst 0,6 mm. 25 % der Zugbelastung lassen sich auf einen Wert von 124 kPa zurückführen, 50% auf 204 kPa. Die Zugfestigkeit beträgt dabei 615 kPa, was einer Ausdehnung von 144% Prozent entspricht. Die empfohlene maximale Betriebstemperatur liegt bei 100 °C.
Aufgeschäumt wurde LD60 mit Stickstoff, wodurch ein rein chemisches und biologisches inaktives Material entstand. LD60 ist schadstofffrei und weist keine giftigen auf Kadmium basierenden Schwermetalle auf.
Es ist brandhemmend und erfüllt die Vorschriften der US amerikanischen Behörde „Food and Drug Administration“. LD60 wird den Bestimmungen gerecht und darf ohne Bedenken in Kontakt mit Trinkwasser kommen. Azofarbstoffe sind im Produkt nicht vorzufinden. Allgemein ist LDPE bei Raumtemperatur lösungsmittelbeständig.
Polyethylen charakterisiert sich als physiologisch neutral. Es lässt sich mehrfach und ohne nennenswerte Schädigung recyceln. Beeinträchtigungen können lediglich in den Bereichen Optik, Schrumpfverhalten und mechanische Eigenschaften entstehen.
Beim Wiederverwerten von PE unterscheidet man in zwei Arten, dem materiellen und rohstofflichen Recycling. Beim materiellen Recycling, mitunter auch ein Downcycling, bleiben die Kunststoffe als Material erhalten. Die Makromoleküle bleiben unverändert. Das für alle thermoplastischen Kunststoffe anwendbare Verfahren beginnt mit dem Sortieren der Abfälle und folgt mit dem Mahlen oder Zerkleinern des Kunststoffes. Nach dem Waschen, schließt die Prozedur des Abtrennens von Störstoffen mit Hilfe von Schwimm- und Sinkverfahren oder dem Hydrozyldon an. Es folgt das Trocknen, welches auf mechanischer oder thermischer Weise geschieht. Der letzte Schritt beinhaltet das Schmelzen und Granulieren. Jedoch entfallen die Schritte Sortieren, Waschen und Drucken im Weltraum, da es sich bereits um einen Reinstoff handelt. Die Verfahrensart des rohstofflichen Recyclings bezieht sich auf die Kunststoff-Molekülketten und deren Zerlegung in kleine Einzelteile, die durch chemische Veränderungen hervorgerufen werden.
Um mit dem Ausgangsmaterial in der Schwerelosigkeit neue Objekte in einem 3D-Drucker herstellen zu können, muss das Material verändert werden. Dafür wird es in mehreren Schritten verarbeitet. Der vorliegende Stoff muss zunächst in Granulat umgewandelt werden. Als Granulat wird ein körniger Feststoff bezeichnet, bei dem alle Körner die gleiche Größe, aber eine unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
Hierfür wird das Werkstück im ersten Schritt in kleinere Bestandteile geteilt. Im zweiten Schritt muss das PE eingeschmolzen werden. Zur Herstellung des Granulates muss zunächst eine Vorzerkleinerung vorgenommen werden, da das Material zu groß für weitere Prozesse ist. Die erste Stufe der Zerkleinerung besteht in der Zerschneidung des Ausgangsstoffes. Die Bruchstücke werden anschließend unter Druck eingeschmolzen, damit das enthaltende Gas entweicht und die Schäumung aufgehoben ist. Das nun entstandene Produkt wird zerkleinert, um Granulat zu erhalten.
In der nächsten Verarbeitungsstufe wird das Granulat zu einem Filament, also einer Art „Plastikdraht“ verarbeitet. Dieser Prozess wird mit einem Extruder vorgenommen. Das Filament kann in einem herkömmlichen 3D-Drucker verwendet werden.
Für die Zerkleinerung gibt es unterschiedliche Methoden. Die erste Methode ist die Zerkleinerung durch Prall. Hierbei trifft das Ausgangsmaterial auf einen Rotor, welcher kleine Hämmer an den Außenseiten besitzt. Dabei entstehen Umfangsgeschwindigkeiten zwischen 40 und 90 m/s2, die benötigt werden damit das Material zerplatzt. In Verbindung mit Polyethylen ist dieser Spaltungsprozess unvorteilhaft, da der energetische Aufwand im Vergleich zu anderen Zerkleinerungsmethoden um ein Vielfaches höher ist.
Die zweite Methode ist die Zerkleinerung durch Schnitt. In diesem Prozess wird in zwei Schritten gearbeitet. Im ersten Schritt findet eine Grobzerkleinerung statt, damit im darauffolgenden Schritt die Maschinen nicht zu viel Material bekommen und verstopfen würden. Der Ausgangsstoff wird beispielsweise in einen Schneidwalzenvorzerkleinerer gegeben, in dem das Inputmaterial von Messern oder Reißzähnen zerschnitten wird. Der nächste Schritt ist die Mittelzerkleinerung. In diesem Abschnitt gelangt das Material in eine Horizentalschneidmühle, in dem sich ein Rotor mit kleinen Messern befindet. An der Außenseite des Raumes befinden sich ebenfalls Messer. Der Stoff wird dann zwischen den Messern am Rotor und an der Wand des Raumes zerschnitten und gelangt auf ein Sieb, wo schließlich nur die Stücke durchfallen, die die erforderliche maximale Großen nicht überschreiten. Das entstandene Endprodukt ist dann das Granulat mit der gewünschten Größe zur Weiterverarbeitung.
Um die ähnlich auch auf der Erde benutzten Vorgänge an die Schwerlosigkeit anzupassen, müssen dort, wo herkömmlich die Schwerkraft eine Rolle spielt, andere Verfahren, z.B. Aufbau eines mechanischen Druckes oder pneumatischen Druckes zur Anwendung kommen. 27.Auch könnte die Verwendung elektrischer Eigenschaften des Materials in Betracht kommen.
Zur Verarbeitung des Kunststoffgranulates wird ein Einschneckenextruder verwendet. Der Vorteil bei diesem Extruder liegt darin, dass er das Material gleichmäßig einziehen und ausstoßen kann. Dadurch erhält man einen Draht ohne Unterbrechungen.
Der Eingang des Extruders besteht aus einem Trichter. Durch das Hineinfüllen in den Trichter gelangt das Granulat in das Innere eines hohlen Zylinders. In dessen Zentrum befindet sich eine motorgetriebene Schnecke. An der Außenseite des Zylinders befinden sich Heizelemente, welche das Material aufweichen, sobald es mithilfe der Schnecke dorthin geführt wurde. Das verformbare Zwischenprodukt wird danach durch eine Austrittsöffnung befördert und zeitgleich mit Kühlelementen auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Der austretende Stoff ist dann das Filament.
Ein Problem für die Anwendung im Weltraum ergibt sich beim Einfüllen des Granulates in den Einfülltrichter. Im Weltall kann das herkömmliche Verfahren nicht reibungslos ablaufen, da sich das Granulat aufgrund der fehlenden Gravitation willkürlich im Raum verteilt und es demnach Unterbrechungen in der weiteren Verarbeitung des Stoffes auftauchen.
Man kann das Problem aber beheben, indem man den Einfülltrichter durch einen kleinen Raum mit einer verschließbaren Tür ersetzt. Zudem befindet sich ein Kolben in der Kammer mit dem man das eingefüllte Granulat gleichmäßig in den Zylinder drücken kann.
Es ist aber auch denkbar, das Umwandeln des Granulats in ein Filament und die Nutzung des Filaments derart abgekürzt werden kann, dass der 3D-Druck direkt mit dem Granulat erfolgt. Dafür darf das Granulat eine bestimmte Größe nicht überschreiten und muss eine gewisse Reinheit aufweisen. Grundsätzlich ist festzustellen, dass eine möglichst geringe Größe des Granulats für die Weiterverarbeitung ein hoher Vorteil ist. Daneben ist das Fehlen verunreinigender Stoffe wichtig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3238916 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit, wobei ein Recyclingstoff vorbereitet und zum 3D-Druck verwendet wird, umfassend die Verfahrensschritte - Zerkleinerung des Recyclingstoffes in schmelzbare Bestandteile, - Schmelzen der schmelzbaren Bestandteile unter Zuführung von Druck zu einem Schmelzergebnis, wobei das im Recyclingstoff enthaltene Gas entweicht, - Zerkleinern des Schmelzergebnisses - Granulieren des Recyclingstoffes und - Zuführen zum 3D-Druck.
Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Granulat zunächst ein Filament in einem Extruder hergestellt wird, welches dem 3D-Druck zugeführt wird.
Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerung durch Zerschlagen erfolgt.
Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerung durch Zerschneiden erfolgt, wobei in einer Grobzerkleinerung ein erstes grobes Zerschneiden in Längsrichtung und in einer mittleren Zerkleinerung ein Zerschneiden in Querrichtung oder umgekehrt erfolgt und im Nachgang mittels eines Siebes ausreichend kleine Zerkleinerungsergebnisse ausgesiebt und im übrigen erneut in den Zerkleinerungsprozess eingefügt werden.
Verfahren zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit nach den vorhergehenden Ansprüchen 2 und 3, dass sowohl ein Zerschlagen als ein Zerschneiden nacheinander oder in einem Arbeitsgang erfolgt.
Vorrichtung zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit, umfassend eine Einrichtung zur Vorbereitung der Materialien, eine Einrichtung zur Behandlung der Materialienund einen 3D-Drucker, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorrichtung ein geschlossener Raum angeordnet ist, wobei dieser Raum granulierte Bestandteile des Materials enthält und dieser Raum Mittel aufweist, mit denen eine mechanische und/oder pneumatische Zuführung der granulierten Bestandteile zum 3D-Drucker erfolgt.
Vorrichtung zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Behandlung der Materialien Mittel zur Zerkleinerung der Materialien angeordnet sind.
Vorrichtung zum Wiederverwerten von Materialien, insbesondere Kunststoffen, in der Schwerelosigkeit gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zerkleinerung der Materialien Mittel zum Zerschlagen und/oder Mittel zum Zerschneiden sind.