DβS aus Lithiumabfall: Geopolymerbeton mit kleinerem CO₂-Fussabdruck

Wolkenkratzer, Autobahnen, Stadien: Unsere Zivilisation ruht auf einem Werkstoff, der jede Sekunde still und leise die Zukunft des Planeten mitprägt.

Von den Fundamenten neuer Vorstädte bis zu den Wänden von Rechenzentren steht Beton im Zentrum modernen Wachstums – und ebenso im Zentrum der Emissionsrechnung.

Die verborgenen Klimakosten von Beton

Die Menschheit stellt heute jedes Jahr rund 30 Milliarden Tonnen Beton her – das entspricht etwa 952 Tonnen pro Sekunde. Der Werkstoff ist zum Synonym für Fortschritt geworden: Er steckt in Wohnhochhäusern, Bahntrassen, Staudämmen und Häfen. Doch mit jeder gegossenen Tonne wächst auch seine Klimabelastung.

Konventioneller Beton basiert auf Portlandzement. Dieser entsteht, indem Kalkstein und Ton in riesigen Drehrohröfen auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden. Dabei werden grosse Mengen fossiler Energie eingesetzt, und zusätzlich entweicht CO₂, das im Gestein chemisch gebunden war. Fachleute schätzen, dass Zement allein etwa 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen verursacht.

Hinzu kommt der enorme Rohstoffhunger. Beton verschlingt nahezu 30 % aller nicht erneuerbaren Ressourcen, die für Bauzwecke gewonnen werden – von Sand und Kies bis zu Kalkstein. Diese Nachfrage verändert Flussbetten, Küsten und Landschaften, oft weit entfernt von den Städten, die am meisten profitieren.

„Beton trägt die moderne Welt, verhält sich aber in der Grössenordnung von Milliarden Tonnen wie ein riesiger, langsam brennender fossiler Brennstoff.“

Dieser Zielkonflikt treibt Forschende, Jungunternehmen und grosse Baukonzerne in einen Wettlauf: Die Festigkeit und Vielseitigkeit von Beton sollen erhalten bleiben, während sein Fussabdruck drastisch sinkt. Einer der spannendsten Ansätze stammt dabei aus einer Quelle, die kaum jemand erwartet hätte – Lithiumabfällen.

Von Batterieabfällen zu Bausteinen

Mit der Verbreitung von Elektroautos und grossen Batteriespeichern, die Stromnetze stützen, steigt der weltweite Lithiumbedarf weiter an. Bergbau und Raffination werden von Südamerika über Australien bis zunehmend nach Europa ausgebaut. Entlang dieser Lieferkette fallen jedoch auch gewaltige Mengen mineralischer Reststoffe an.

Bei der Lithiumgewinnung aus bestimmten Erzen entsteht in Raffinerien ein Nebenprodukt namens delithiierter β‑Spodumen, häufig abgekürzt zu DβS. Nachdem das wertvolle Lithium abgetrennt ist, bleibt aus Sicht der Betreiber meist ein Problem zurück: staubige Rückstände und gebrochenes Gestein, die üblicherweise in grossen Halden oder in Absetz- bzw. Rückstandsbecken gelagert werden.

Ein Team um Professor Aliakbar Gholampour an der Flinders University in Australien wollte diesen Reststoff nicht als Müll behandeln, sondern als Rohstoff. Der Ansatz: DβS soll in Geopolymerbeton eingebracht werden – also in eine zementfreie Bindemittelvariante, die bereits als potenziell sauberere Alternative zur klassischen Portlandrezeptur gilt.

Geopolymere ersetzen Klinker (den energieintensiven Kern von Portlandzement) durch aluminosilikatreiche Ausgangsstoffe wie Flugasche oder Hochofenschlacke. Zusammen mit alkalischen Aktivatoren verfestigen sich diese Materialien zu einem steinartigen Netzwerk, das niedrigere Emissionen ermöglichen kann und zugleich als langlebig gilt.

In der australischen Arbeit übernimmt DβS im Mischgut eine zentrale Funktion – ähnlich der Rolle, die Flugasche oft spielt. Erste Laboruntersuchungen deuten darauf hin, dass der daraus hergestellte Beton nicht nur „funktioniert“: Er besteht Festigkeitsprüfungen und zeigt zudem eine vielversprechende Widerstandsfähigkeit gegen Abbauprozesse.

„Indem Rückstände aus der Lithiumraffination zu einem tragenden Bestandteil von Geopolymerbeton werden, könnte dasselbe Metall, das E‑Autos antreibt, auch dabei helfen, die Fundamente zu säubern, auf denen sie fahren.“

Warum dieser Abfallstrom wichtig ist

Der Reiz von DβS-basiertem Beton liegt nicht nur in der Chemie, sondern in der Verbindung zweier industrieller Entwicklungen zu einer Art Rückkopplung.

• In der Lithiumraffination entstehen grosse Massen mineralischer Reststoffe, die langfristig gelagert und überwacht werden müssen.
• Die Bauwirtschaft benötigt enorme Mengen an Zuschlagstoffen und Bindemitteln und steht gleichzeitig unter wachsendem Druck, Emissionen zu senken.
• Geopolymere eröffnen einen Weg zu CO₂-ärmerem Beton, greifen aber häufig auf Nebenprodukte wie Flugasche zurück, deren Verfügbarkeit mit dem Rückbau von Kohlekraftwerken sinken kann.

Genau zwischen diesen Trends positioniert sich DβS. Wird es im Beton genutzt, könnte das die Menge an Material reduzieren, die in Rückstandsbecken landet, den Bedarf an bestimmten Primärrohstoffen mindern und der Geopolymerbranche einen neuen, grundsätzlich skalierbaren Rohstoffstrom liefern, der zur Energiewende passt.

Im Inneren des neuen „grünen“ Betons

Wie sich das Material im Labor verhält

Das Team der Flinders University prüfte mehrere Rezepturen und variierte dabei Menge und Zusammensetzung der alkalischen Aktivatoren, die die Geopolymerisation auslösen. Erfasst wurden unter anderem Druckfestigkeit, Mikrostruktur sowie die Entwicklung des Materials während der Erhärtung bei Raumtemperatur.

Laut den veröffentlichten Messdaten erreichten die leistungsstärksten Mischungen Festigkeiten, die mit üblichen Konstruktionsbetonen konkurrieren und diese teils übertreffen. Mikroskopische Untersuchungen zeigten eine dichte innere Struktur – ein Merkmal, das häufig mit hoher Dauerhaftigkeit und geringer Durchlässigkeit zusammenhängt.

Ausserdem stellten die Forschenden DβS-Geopolymere jenen gegenüber, die auf Flugasche basieren. Die Ergebnisse lagen in einem ähnlichen Leistungsbereich, ohne dabei auf kohlebasierten Reststoff angewiesen zu sein. Für Klimapolitik und Planung ist das relevant: Ein Stromsystem auf dem Weg zur Dekarbonisierung kann nicht dauerhaft der Hauptlieferant für einen Baustoff sein, der als „grün“ gelten soll.

Parameter	Portlandzementbeton	DβS‑Geopolymerbeton (Labordaten)
Hauptbindemittel	Klinker aus Kalkstein	DβS und andere Aluminosilikate
Typische Erhärtung	bei Umgebungstemperatur, teils feucht	Geopolymer-Erhärtung bei Umgebungstemperatur
CO₂-Profil	hoch, durch Öfen und Rohstoffe	potenziell niedriger, abhängig von Aktivatoren
Zentrales Ressourcenthema	sehr hoher Bedarf an Klinker und Kalkstein	erfordert stabile DβS-Verfügbarkeit und sicheren Umgang

Dennoch sind weitere Prüfungen nötig: Langzeitverhalten bei Frost-Tau-Wechseln, unter chemischem Angriff und bei wiederholter Belastung steht noch aus. Brücken, Tunnel und Bauwerke in Küstenzonen sind deutlich härteren Bedingungen ausgesetzt als ein kontrolliertes Labor. Trotzdem wecken die frühen Resultate bereits Interesse bei Ingenieurinnen und Ingenieuren, die nach praktikablen Wegen zur Dekarbonisierung suchen.

Von Pilotmischungen zu echten Bauwerken

Für den Schritt aus dem Labor in den Alltag reicht es nicht, nur einige Probekörper zu giessen. Normen, Bauordnungen und ausführende Unternehmen agieren aus Sicherheits- und Haftungsgründen häufig bewusst zurückhaltend.

Damit DβS-basierte Geopolymere vom Versuch zur Routine werden, braucht es:

• eindeutige technische Standards zu Festigkeitsklassen, Schwinden und Dauerhaftigkeit,
• Daten aus Pilotvorhaben, etwa bei Belägen, Wegen oder nicht sicherheitskritischen Bauteilen,
• Liefer- und Qualitätsvereinbarungen zwischen Lithiumraffinerien und Betonherstellern zur Stabilisierung der Zusammensetzung,
• eine Bewertung möglicher Verunreinigungen in DβS und ihres Verhaltens im erhärteten Beton.

Auch die Politik kann Einfluss nehmen. Öffentliche Ausschreibungen für CO₂-armes Bauen definieren zunehmend Emissionsgrenzwerte pro Kubikmeter Beton. Wenn DβS-Geopolymere eine glaubwürdige Reduktion belegen, könnten sie zuerst in staatlich finanzierten Projekten Fuss fassen – von klimafreundlichem sozialem Wohnungsbau bis zu Bahnmodernisierungen.

Ein breiterer Vorstoss, Beton zu entlasten

Weitere Versuche, die Mischung „grüner“ zu machen

Der australische Ansatz ist kein Einzelfall. Weltweit erproben Labore und Jungunternehmen unterschiedliche Wege, die Klimaschäden von Beton zu reduzieren, ohne Leistungsfähigkeit einzubüssen.

• Biobasierte Bindemittel: Einige Teams nutzen getrocknete Bakterien, die nach dem Reaktivieren mit Wasser, Harnstoff und Calcium Calcit ausfällen und so „Biobeton“ bilden. Das Material kann sich in Rissen selbst organisieren und den Wartungsaufwand senken.
• Selbstheilender Beton: In die Mischung werden Kapseln mit Heilmitteln oder Enzymen eingebracht. Entstehen Risse, brechen die Kapseln auf und lösen eine Reparaturreaktion aus, die den Spalt schliesst und die Lebensdauer verlängert.
• Pflanzen- und Holzreste: Vorhaben wie Rewofuel wollen Nebenprodukte der Forstwirtschaft in Komponenten verwandeln, die Klinker teilweise ersetzen, und so nachhaltige Waldwirtschaft mit der Dekarbonisierung von Zement verbinden.

In Summe deutet vieles darauf hin, dass „der Beton der Zukunft“ eher eine Werkstofffamilie als ein einziges Rezept sein wird. Manche Lösungen zielen vor allem auf geringere Emissionen in der Herstellung, andere stärker auf Langlebigkeit oder auf Recycling am Lebensende.

„Im Wettlauf geht es nicht nur darum, weniger Beton zu giessen, sondern darum, dass jeder Kubikmeter mehr leistet und länger hält – gemessen an den Emissionen, die er kostet.“

Was das für Bergbau, Bauwirtschaft und Städte bedeuten könnte

Neue Verknüpfungen in der Kette der Energiewende

Setzt sich DβS-basierter Beton durch, könnten Lithiumprojekte bereits auf dem Papier anders aussehen. Abfallhalden würden zu Inputs statt zu Verpflichtungen. In Gruben- und Anlagenplänen könnten Vorbehandlungsanlagen vor Ort vorgesehen werden, um DβS für Baumärkte aufzubereiten. Bei neuen Projekten könnten Investoren den Wert dieser zusätzlichen Einnahmequelle in ihre Bewertungen einbeziehen.

Für Bauunternehmen kann der Zugriff auf CO₂-ärmere Bindemittel helfen, strengere Vorgaben einzuhalten. Viele Städte verlangen schon heute Lebenszyklus-CO₂-Bewertungen bei grossen Bauvorhaben. Werden in Fundamenten oder Bodenplatten Geopolymere aus Reststoffen eingesetzt, kann das die Bilanz verbessern, ohne Bauabläufe grundsätzlich umzuwerfen.

Klimaseitig bleibt die Rechnung dennoch anspruchsvoll. Auch alkalische Aktivatoren bringen eigene Emissionen mit, und die Transportdistanzen zwischen Lithiumraffinerien und Betonwerken spielen eine Rolle. Trotzdem verändert es die Richtung, wenn ein Teil der Branche Klinker durch industrielle Rückstände ersetzt.

Fragen, auf die es noch Antworten braucht

Mehrere offene Punkte entscheiden darüber, wie gross der tatsächliche Nutzen ausfällt:

• Gesundheit und Umwelt: Wie stabil sind mögliche Spurenelemente im DβS, nachdem sie im ausgehärteten Beton gebunden sind – insbesondere, wenn Bauwerke später abgerissen und zerkleinert werden?
• Geografie: Lithiumraffination konzentriert sich auf bestimmte Regionen. Bleibt DβS-Beton vor allem lokal, oder entsteht ein globaler Handel mit zusätzlichen Emissionen durch Schifffahrt?
• Menge: Selbst wenn alle Lithiumanlagen DβS liefern: Welchen Anteil des weltweiten Betonbedarfs könnte das realistisch abdecken?

Diese Fragen nehmen der Idee nicht die Attraktivität, sie setzen ihr aber einen Rahmen. Beton wird von Baustellen nicht verschwinden; daher verlagert sich die Diskussion auf Risikomanagement und kluge Substitution. Lithiumreste in tragfähigen Baustoff zu verwandeln, ist ein konkretes Beispiel für diese Verschiebung.

Für Ingenieurinnen und Ingenieure, Architektinnen und Architekten sowie Planungsämter entsteht damit ein weiteres Werkzeug, um künftige Städte zu modellieren: Quartiere, deren Bindemittel saubere Energie, kritische Rohstoffe und CO₂-ärmere Gebäude miteinander verknüpfen. Sobald Felddaten aus Pilotanlagen vorliegen, können digitale Simulationen prüfen, wie sich solche Materialien auf Lebenszyklus-Emissionen, Wartungsintervalle und sogar Versicherungskosten von Infrastrukturen auswirken.

Hinter jedem Kubikmeter dieses neuen Betons steht damit eine andere Geschichte als beim klassischen Zement – eine, in der der Abfall von gestern hilft, den Verkehr von morgen zu tragen und die Häuser von morgen mit Energie zu versorgen.

---