Grüne Elektronik mit Leiterplatten auf der Basis von Holz

Bei dieser Computermaus besteht nicht nur das Gehäuse aus bioabbaubarem Material, sondern auch die Leiterplatte.
Bild Empa

Sie sind das Herzstück eines jeden elektronischen Geräts, vom Laptop bis hin zur elektrischen Zahnbürste: Leiterplatten, auch Platinen oder PCB genannt, als Kürzel des englischen ‹printed circuit board›. Die steifen Platten sind mit Kupferbahnen und verlöteten Elektronikkomponenten übersät und meist in einem charakteristischen Grün lackiert. Nur besonders umweltfreundlich sind sie nicht.

Als Trägermaterial für die Kupferbahnen und elektronischen Komponenten kommt in der Regel ein Laminat aus glasfaserverstärktem Epoxidharz zum Einsatz. Dieser Verbundwerkstoff wird aus Erdöl hergestellt und lässt sich nicht recyceln. Die fachgerechte Entsorgung ist aufwendig, zum Beispiel in einem speziellen Pyrolyseofen mit Abluftreinigung– ein Problem angesichts der grossen Mengen an ausgedienten Platinen, die jedes Jahr zur Entsorgung anfallen.

Ein Forschungsteam um Thomas Geiger aus dem ‹Cellulose and Wood Materials›-Labor der Empa arbeitet an einer ‹grünen›, sprich nachhaltigeren Alternative – die in Wahrheit braun ist. Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts ‹HyPELignum› (Link unten) haben sie ein Trägermaterial für die Leiterplatten auf der Basis von Holz entwickelt, das mit dem konventionellen Epoxidharz mithalten kann – und zugleich vollständig biologisch abbaubar ist. Die daraus hergestellten Platinen haben die Forschenden in funktionierende Computermäuse eingebaut.

‹Dream Team› aus Fibrillen und Lignin

Der Ausgangsstoff für das Trägermaterial ist eine natürliche Mischung aus Cellulose mit etwas Lignin. Strenggenommen handelt es sich dabei um ein Abfallprodukt. ‹Unsere Partner am Forschungsinstitut TNO in den Niederlanden haben ein Verfahren entwickelt, um die Rohstoffe Lignin und Hemicellulose aus dem Holz zu extrahieren›, erklärt Geiger. ‹Was bleibt, ist die bräunliche Lignocellulose, für die es bisher keine Verwendung gab.› Geiger, der bereits seit langem an Elektronik aus Cellulose forscht, sah das Potential des Rohstoffs.

Damit aus der flockigen Lignocellulose ein High-Tech-Produkt wie eine Leiterplatte werden kann, muss sie zunächst mit Wasserzugabe gemahlen werden, um die relativ dicken Cellulosefasern zu dünnen Fibrillen aufzuschliessen. Dabei entsteht ein feines Netz aus hauchdünnen Feinfasern, die untereinander verknüpft sind. In einem nächsten Schritt wird das Wasser aus der Masse mit hohem Druck herausgepresst. Die Fibrillen rücken näher zusammen und trocknen zu einer festen Masse. Diesen Prozess nennen die Forscher ‹Hornifizierung›. ‹Das enthaltene Lignin dient als ein zusätzliches Bindemittel in der Masse›, so Geiger.

Die so entstandene hornifizierte Platte ist nahezu so widerstandsfähig wie eine konventionelle Leiterplatte aus Glasfasern und Epoxid – mit Betonung auf ‹nahezu›. Denn diese kompostierbare Platte reagiert noch immer empfindlich gegenüber Wasser und hoher Luftfeuchtigkeit. Aber Wasser wird benötigt, denn wenn gar kein Wasser mehr in das Trägermaterial eindringen kann, können auch keine Mikororganismen wie Pilze mehr darin wachsen – und damit wäre die Bioabbaubarkeit nicht mehr gegeben, wie Geiger erklärt.

Kompostierbare Computermaus

Dennoch sind die Forscherinnen und Forscher zuversichtlich, dass sich die Resistenz des Biowerkstoffs aus Lignocellulose mit der richtigen Verarbeitung weiter verbessern lässt. ‹Bei gewissen Anwendungen müssen wir aber auch unser Verhältnis zur Elektronik überdenken›, sagt  Geiger. ‹Viele elektronische Geräte sind nur wenige Jahre in Gebrauch, bevor sie veralten – es ist daher nicht unbedingt sinnvoll, sie aus Materialien herzustellen, die Hunderte von Jahren überdauern können.›

Ihre nachhaltigen Leiterplatten haben die Forscher in Zusammenarbeit mit einem österreichischen Industriepartner mit Leiterbahnen bedruckt und mit Komponenten bestückt, um funktionierende elektronische Geräte herzustellen, etwa eine Computermaus oder eine RFID-Karte. Am Ende seiner Lebensdauer könnte ein solches Gerät unter den richtigen Bedingungen kompostiert werden. Ist das Trägermaterial erst mal zersetzt, lassen sich die metallischen und elektronischen Komponenten aus dem Kompost entnehmen und recyceln.

Als nächstes wollen die Forschenden ihren Biowerkstoff für Leiterplatten widerstandsfähiger machen, ohne seine Bioabbaubarkeit zu beeinträchtigen. Auch planen die Projektpartner, zum Abschluss des ‹HyPELignum›-Projekts 2026 weitere Demonstrationsgeräte mit Platten aus Lignocellulose anzufertigen. Nicht fehlen darf auch der Transfer in die Industrie: ‹Gemeinsam mit Schweizer und europäischen Unternehmen wollen wir weitere Verwendungsmöglichkeiten für den Lignocellulose-Werkstoff entwickeln›, sagt Geiger.

Links empa.ch | hypelignum.eu