Aluminium (chemisches Symbol: Al) zählt heute zu den weltweit wichtigsten Rohstoffen. Ob Baubranche, Elektrotechnik, Fahrzeugherstellung, Maschinenbau oder auch die Verpackungsbranche – das erst im 19. Jahrhundert entdeckte Leichtmetall stellt in vielen Wirtschaftsbereichen einen wesentlichen Faktor dar. Typische Alu-Produkte sind zum Beispiel Bleche, Rohre und Aluprofile. Darüber hinaus findet es Anwendung etwa in Türen, Geländern, Beschlägen und Griffen, Duschkabinen, verschiedenen Tragkonstruktionen, Getränkedosen, Kaffeekapseln oder Folienverpackungen. Aufgrund dieser Vielseitigkeit und den eigenen Eigenschaften ist Aluminium mittlerweile unverzichtbar für das Leben in der Moderne.

Das Metall, das im Periodensystem durch die Ordnungszahl 13 belegt ist, zeigt sich von der historischen Entwicklung her eigentlich als klassischer Spätzünder. Im Gegensatz etwa zu Eisen und Kupfer wurde Aluminium erst im 19. Jahrhundert entdeckt. Und das, obwohl es lediglich zwei Elemente gibt, die häufiger als Aluminium in der Erdkruste vorkommen.

Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass es sich hierbei nicht um die Reinform von Aluminium handelt. Dies mag letztendlich auch der Grund für die vergleichsweise späte Entdeckung sein.

Aluminium als Bestandteil von Arzneien der Antike

Dennoch – und das ist faktisch bewiesen – wurde Aluminium bereits vor rund 4.000 Jahren eingesetzt. Es wusste nur niemand, dass es sich hierbei eben um Aluminium handelte. Zu der Zeit behandelten babylonische und ägyptische Ärzte offene Wunden und Blutungen mit Kaliumaluminiumsulfat (alternativ auch als Alaun bezeichnet). Darin ist das Leichtmetall enthalten.

Verschiedene Quellen von früher beschreiben die Anwendung von Kaliumaluminiumsulfat bzw. Alaun als sehr erfolgreich, um Blutungen zu stillen. Und tatsächlich hat sich dieses Hilfsmittel für medizinische Zwecke bis in die heutige Zeit hinein bewährt.

Nicht umsonst lassen sich auch im 21. Jahrhundert in gut sortierten Drogerien verschiedene Alaunstifte zur Anwendung nach der Rasur finden. Das vor mehreren Jahrtausenden als unbekannter Bestandteil in Kaliumaluminiumsulfat hat aber natürlich nichts mit dem heute genutzten Aluminium und den entsprechenden Einsatzbereichen gemeinsam. Genauer gesagt: Erst vor rund 200 Jahren entdeckte die Menschheit Aluminium und seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.

So dauerte es bis zum Jahr 1825, bevor Aluminium wirklich nachhaltig entdeckt wurde. Dem Naturwissenschaftler Hans Christian Oersted aus Dänemark gelang es in jenem Jahr, das Material durch die Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam zu gewinnen. Zwar handelte es sich dabei um Aluminium in stark unreiner Form, dennoch aber gilt der dänische Naturwissenschaftler als der Entdecker des besonderen Leichtmetalls. Bereits zwei Jahre später erzielte der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler im Rahmen fortwährender Versuche einen weitaus höheren Reinheitsgrad.

Dies war der Startschuss zu einer Entwicklung, die nach etwa 60 Jahren mit dem noch heute in Grundzügen genutzten Hall-Héroult-Prozess für die Gewinnung von metallischem Aluminium einen ersten Höhepunkt erreichte. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur elektronischen Schmelzflusselektrolyse, das vom französischen Chemiker Paul Héroult und dem amerikanischen Erfinder Charles Martin völlig unabhängig voneinander entwickelt wurde.

Der aus Österreich stammende Chemiker Carl Josef Bayer verbesserte dann nur ein Jahr später das Hall-Héroult-Verfahren. Der als Bayer-Verfahren bekannte Herstellungsprozess hat die Zeit dabei ebenfalls überdauert und wird auch noch heute für die Überführung von Bauxit in Aluminiumoxid mit ausreichend hoher Reinheit genutzt.

Die Grundlage für Gewinnung und Produktionsverfahren stellt dabei immer Bauxit dar. Hierbei handelt es sich um ein Erz, das Aluminiumoxid enthält. Reines Aluminiumoxid wird dabei als Alumerde bezeichnet. Der Anteil von Aluminiumoxid bzw. Alumerde liegt meistens zwischen 30 und 55 Prozent.

Reines Aluminium gibt es in der Natur nicht, da Aluminium dazu neigt, eine Verbindung mit Sauerstoff einzugehen. Daher ist Aluminium lediglich in Form eines Oxids (an Sauerstoff gebundenes Metall) vorhanden.

Genau dieses Oxid muss dem Bauxit daher erst einmal entzogen werden. In der Regel geschieht dies direkt an den Abbauplätzen von Bauxit. Auf diese Weise können Transportkosten eingespart werden. Denn Bauxit wird vorrangig in subtropischen Regionen abgebaut. Zwar gibt es das Erz auch in anderen Gebieten, aber der Anteil von Alumerde ist in den subtropischen Bauxit-Lagerstätten am höchsten. Um die Alumerde aus dem Bauxit zu lösen, kommt das Bayer-Verfahren zum Einsatz. Hierfür sind mehrere Arbeitsschritte nötig.

Bayer-Verfahren: So wird Aluminiumoxid aus dem Bauxit herausgelöst

1. Im ersten Schritt wird das Bauxit in größeren Mengen erst einmal fein gemahlen.
2. Anschließend wird dem gemahlenen Bauxit eine Lösung aus Wasser und ätzendem Soda zugesetzt. Mit Hilfe dieser Natronlauge wird das im Bauxit befindliche Aluminiumoxid herausgelöst.
3. Dabei entsteht ein flüssiges Gemisch aus Natronlauge und der aufgelösten Alumerde. Dieser Mix wird als Aluminiumslurry bezeichnet. Die weiteren Bestandteile von Bauxit bleiben dabei in ihrer ursprünglichen Form bestehen und lösen sich nicht auf. Die übrig gebliebenen Substanzen bilden den sogenannten Rotschlamm.
4. Im nächsten Arbeitsschritt des Gewinnungsprozesses wird das Aluminiumslurry aus dem Rotschlamm herausgefiltert und damit abgesondert.
5. Das herausgefilterte Aluminiumslurry muss anschließend ausreichend gekühlt werden, bevor es dann in große Silos eingebracht wird. In diesen Silos findet schließlich ein Prozess statt, bei dem in dem flüssigen Mix weiße Kristalle entstehen, die auf den Boden des Silos herabsinken.
6. Die sich auf dem Boden angesammelten Kristalle werden in andere Silos abgepumpt, in denen sie weiterwachsen können. Von dort aus geht es für die jetzt größeren Kristalle weiter in den Brennofen. Bei Temperaturen von rund 1.000 °C wandeln sich die Kristalle in Alumerde um. Von Form und Konsistenz her handelt es sich dabei um ein feines, weißes Pulver, das sich anschließend zu reinem Aluminium weiterverarbeiten lässt.

Abschluss der Umwandlung zu Aluminium mit dem Elektrolyseprozess

Um aus diesem Pulver letztendlich das Leichtmetall Aluminium zu gewinnen, kommt der sogenannte Elektrolyseprozess zum Einsatz. Dafür muss die aus Sauerstoff und Aluminium bestehende Alumerde zu den Aluminiumhütten bzw. zu den primären Schmelzöfen transportiert werden. Hier kommt das Hall-Héroult-Verfahren zur Anwendung, um Sauerstoff und Aluminium gezielt voneinander zu trennen.

Hierzu wird die Alumerde in ein mit dem Fluoridsalz Kryolith befülltem Reduziergefäß gegeben. Das Fluoridsalz ist bereits zuvor auf eine Temperatur von 1.000 °C gebracht worden. Zudem bedeckt meistens Grafit die Innenseiten des Gefäßes – aus einem wichtigen Grund: Im Gefäß befinden sich zudem zwei Anodenblöcke aus Kohlenstoff. Zwischen dem Grafit und diesen beiden Anodenblöcken wird eine elektrische Spannung von etwa vier bis fünf Volt erzeugt, wobei die Stromstärke bis zu maximal 340.000 Ampere beträgt.

Durch die Einwirkung des Stroms lässt sich das Aluminium vom Sauerstoff trennen. Dies funktioniert, in dem die Anodenblöcke den Sauerstoff binden, ihn in Form von CO₂ entsorgen und das reine Aluminium bis zum Gefäßboden sinkt. Von hier aus pumpen die Hersteller das flüssige Aluminium ab und gießen es zwecks Weiterverarbeitung in Formen.

Bei der Gewinnung bzw. Herstellung von Aluminium treten dabei verschiedene Probleme auf, die in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit sowie die Umwelt- und Klimabilanz von entscheidender Bedeutung sind. So kommt es neben dem hohen Energieverbrauch auch zu Emissionen und schwer entsorgbaren Abfallprodukten. Dies sind die relevantesten Herausforderungen:

Hoher Energieverbrauch – Nutzung von „sauberem“ Strom
Die extrem hohe Stromstärke, die im Reduziergefäß generiert wird, ist für einen massiven Energie- bzw. Stromverbrauch verantwortlich. Hier sind die Hersteller sowohl aus ökonomischer als auch ökologischer Sicht in der Pflicht, auf möglichst saubere und zudem einfache Art und Weise für die erforderliche Energie zu sorgen. Die jeweiligen Standorte für die Weiterverarbeitung müssen daher sorgfältig ausgewählt werden. Als gute Standorte gelten diesbezüglich vor allem Areale, die einen direkten Zugriff auf Wasserkraftwerke erlauben.

Die Entsorgung des Rotschlamms
Im Rahmen des Bayer-Verfahrens entstehen bei der Herauslösung von Aluminiumoxid auch immer Abfallprodukte. Den größten Teil hiervon macht der Rotschlamm auf. Im Optimalfall wird dieser Rotschlamm anschließend weiterverarbeitet. Er kann beispielsweise als Komponente für die Wasserklärung, Füllmaterial für asphaltierte Straßen oder auch als Färbemittel für Dachziegel eingesetzt werden. Dennoch bleibt immer ein sehr großer Teil des rötlich schimmernden Schlamms zurück.

Um diesen Rotschlamm zu entsorgen, deponieren ihn die Hersteller bzw. Entsorger in Becken, die mit einem undurchdringbaren Lehmboden ausgestattet sind. Von da an kann es bis zu zehn Jahren dauern, bis der Schlamm unter Mithilfe von Regenwasser und CO₂ aus der Luft die enthaltenen Reste der Natronlauge neutralisiert. Es verbleiben am Ende lediglich noch ein Reststoff aus Wasser und Soda in dem Becken.

Emissionen durch fluorhaltiges Bruchmaterial
Der Elektrolyseprozess birgt einen wesentlichen Nachteil: Im Prozessverlauf entstehen verschiedene Abfallprodukte und daraus resultierende Emissionen. Ganz besonders im Fokus stehen hierbei Fluor-Emissionen, die als Bestandteil von Bruchmaterial freigesetzt werden. Dieses Bruchmaterial entsteht immer dann, wenn die Deckenschicht der Gefäße erneuert wird.

Aktuell gibt es hier noch keine Lösung, die Emissionen zu reduzieren und das Fluor nachhaltig wiederzuverwerten. Seit einiger Zeit laufen allerdings entsprechende Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die das Ziel haben, Fluor zur Wiederverwertung aus dem Bruchmaterial zu gewinnen. Ausgereifte Verfahren dieser Art kommen nach Meinung der Experten bis spätestens 2028 zum Einsatz.

Auch die Kohlenstoffblöcke sind Abfallprodukte
Um das Aluminium vom Sauerstoff zu trennen, benötigen die Hersteller Anoden- bzw. Kohlenstoffblöcke. Nach der erfolgten Trennung bleiben diese Elemente als Abfallprodukte zurück. Sie müssen allerdings nicht zwingend entsorgt werden. Eine weitere Verwendung ist als Kraftstoff und Rohstoff in der Zement- und Stahlindustrie möglich.

Das im Rahmen der beiden Prozesse gewonnene Aluminium weist zahlreiche Eigenschaften und Merkmale auf, die den Einsatz in vielen verschiedenen Anwendungen erlaubt. Dabei ist besonders hervorzuheben, dass das Leichtmetall über eine sehr gute Recyclingfähigkeit verfügt. So werden lediglich fünf Prozent der für die Herstellung von primärem Aluminium erforderlichen Energiemenge benötigt.

Insgesamt lässt sich Aluminium durch diese Attribute charakterisieren:

• geringes Gewicht bzw. geringe Dichte
• hohe Korrosionsbeständigkeit
• gute elektrische Leitfähigkeit
• gesundheitlich unbedenklich
• feuerbeständig
• hohe Stabilität
• gut formbar bei der Verarbeitung
• UV- und witterungsbeständig
• umweltfreundlich durch vollständige Recyclingfähigkeit
• Lebenszyklus von mindestens 60 Jahren

Nicht zuletzt aufgrund dieser Eigenschaften kommt Aluminium in zahlreichen Branchen und Bereichen zum Einsatz. So stellt Aluminium zum Beispiel im Baugewerbe (für den Bau von Fassadenverkleidungen, Dach- und Wandsystemen, Alufolien für die Wärmeisolierung etc.) und eine nachhaltige Lösung für benötigte Ressourcen dar.

Im Verkehrssektor verwenden Unternehmen das Leichtmetall für die Produktion von Automobilen, Nutzfahrzeugen, Zügen, Schiffen und Flugzeugen. Zudem erweist sich Aluminium gerade in der Verpackungsbranche als ein echtes Multitalent. Es schützt chemische Präparate und Lebensmittel und chemische gegen qualitätsmindernde Umgebungseinflüsse. Zudem erlauben Verpackungen aus Aluminium einen platzsparenden Transport.

Weitere relevante Anwendungsgebiete sind der Maschinen- und Anlagenbau und die Elektrotechnik. Zudem findet Aluminium in zahlreichen Produkten aus den Bereichen Design, Freizeit und Haushalt Verwendung.

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