Graphit hat jeder schon in der Hand gehabt: in Form eines Bleistiftes, der eigentlich Graphitstift heißen müsste. Das im 18. Jahrhundert zur Herstellung der Stiftmine verwendete Graphit wurde von den Nutzern irrtümlich für Bleierz gehalten; der Name hat sich seither gehalten. Dieser wiederum stammt vom griechischen „graphein“ – schreiben – ab. Was beweist, dass schon die alten Hellenen das weiche Mineral für Kunst und Dokumentation verwendet haben. Ruß, Koks und Holzkohle ähneln im Aufbau dem Graphit. Ihre Schichten sind aber nicht geordnet, sondern regellos gegeneinander verschoben oder verdreht. Im Graphit ist der Kohlenstoff dagegen in übereinanderliegenden Schichten angeordnet, die sich unter anderem auf ein Blatt Papier verschieben lassen. Im Diamanten sind die Kohlenstoffatome wiederum dreidimensional (genauer gesagt: tetraedrisch) gebunden, woraus seine große Härte resultiert.
Widerstandsfähiger als Stahl
Graphit kommt in der Erdkruste häufig vor und besteht chemisch betrachtet aus reinem Kohlenstoff (C). Das Mineral ist vergleichsweise weich und zeichnet sich durch extreme Hitzebeständigkeit und Widerstandskraft gegen Laugen und Säuren aus. Deshalb werden knapp drei Viertel des weltweiten Bedarfs derzeit in der Stahlindustrie verwendet. Hier werden Brennöfen mit Graphit ausgekleidet, um sie widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen zu machen. Ein weiterer bedeutender Einsatzbereich sind die Elektroden in Hochöfen: Für die Herstellung einer Tonne Elektrostahl werden ungefähr zwei Kilogramm Graphit verbraucht. Weitere 20 % des weltweiten Bedarfs werden im Maschinenbau und in der Automobilindustrie eingesetzt; primär für Schmiermittel und Bremsbeläge. Weltweit werden jährlich circa 3,2 Mio. t Graphit verbraucht – gut die Hälfte (51 %) davon stammt aus der bergmännischen Förderung, der Rest (1,57 Mio. t) wird industriell hergestellt. Abgebaut wird Graphit vor allem in der Volksrepublik China, circa 70 % der weltweiten Förderung stammen aus dem Reich der Mitte. Insgesamt wird seit Jahren tendenziell etwas mehr gefördert als verbraucht, weshalb die Preise in den letzten fünf Jahren im Vergleich zu anderen Rohstoffen weniger volatil ausfallen. Allerdings schließt China vermehrt Minen, die technisch nicht mehr auf dem neusten Stand sind oder verschärften Umweltschutzgesetzen nicht mehr entsprechen. Das kann dazu führen, dass Chinas Bedeutung für den Weltmarkt in diesem Bereich langsam abnimmt. Trotzdem hat die Europäische Kommission Graphit bereits 2011 wegen der Importabhängigkeit von China auf die Liste der kritischen Rohstoffe gesetzt.
Fördern oder synthetisieren
Synthetisches Graphit ist in der Herstellung deutlich teurer, dafür aber auch sehr rein (bis zu 99,9 %). Bei der sogenannten Graphitisierung werden kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterialien (zum Beispiel Braun- und Steinkohle, Erdöl, Peche oder Kunststoffe) unter Luftabschluss und bei maximal 3000 °C zu polykristallinem Graphit umgewandelt. Als Ausgangsmaterial für die Graphitherstellung können auch Diamanten unter Laser-beschuss verwendet werden – ein Verfahren, das sich aus verständlichen Gründen nicht durchgesetzt hat.
Die einzige aktive deutsche Graphitmine mutierte 2012 vom Besucherbergwerk wieder zur aktiven Förderstätte. Laut einer Pressemitteilung des Unternehmens ist der Abbau aufgrund steigender Nachfrage erneut rentabel geworden. Die Graphit Kropfmühl GmbH zählt heute nach eigenen Angaben zu den weltweiten Marktführern bei der Produktion von hochreinem Spezial-Graphit. Was zeigt, dass Graphit neue Einsatzbereiche und eine große Zukunft bevorsteht: in der Halbleitertechnik und vor allem auch in den Akkus von Elektroautos. In der Halbleiterforschung werden derzeit von Graphit abgeleitete Graphen intensiv erforscht: zweidimensionale Moleküllagen mit wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen. Graphen sind das dünnste technisch verarbeitbare Material – drei Millionen Lagen sind gerade einmal einen Millimeter dick. Sie sind 300-mal härter als Stahl, dabei biegsam und zudem extrem leitfähig: Elektrische Ladungen können sich in einer solchen Wabe bis zu 100-mal schneller als in Silizium oder Kupfer bewegen. Das kann die Leistung integrierter Schaltungen exorbitant erhöhen.
Die Zukunft besteht aus Graphit
Unter anderem forschen Konzerne wie IBM, Samsung und BASF an konkreten Graphen-Anwendungen. IBM stellte bereits einen superschnellen 150-Gigahertz-Transistor auf Basis von Graphen vor, Samsung ein Smartphone mit besonders leistungsstarkem Akku.
Das größte Wachstumspotenzial besitzt Graphit im Bereich Elektrofahrzeuge. Schätzungen von PricewaterhouseCoopers PWC prognostizieren, dass 2030 jedes dritte neu verkaufte Auto mit Strom fahren wird. Und Graphit ist ein zwingendes Zwischenprodukt für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien, der bislang bevorzugten Energiequelle in Elektromobilen. Batterien für Elektroautos wiegen aktuell zwischen 400 und 750 kg und benötigen rund 40 kg reines, natürliches Graphit – zehnmal so viel wie Lithium. Analysten rechnen vor, dass in einer rein elektrischen Autowelt die Graphitnachfrage um 264 % gegenüber der heutigen weltweiten Nachfrage ansteigen dürfte. Allerdings eignet sich nur etwa ein Achtel der jährlichen Förderung für die Batterieproduktion. Deshalb werden die Nachfrage und damit auch der Preis in den nächsten Jahren voraussichtlich weiter steigen.
Michael Grupp, freier Journalist in Stuttgart
