Was steckt im Smartphone?

Smartphones sind, wie ihr Name verrät, schlaue Telefone. Sie sind kleine Computer, mit denen man nicht nur telefonieren, sondern jeder nach seinem Bedarf unterschiedliche Funktionen nutzen kann. Möglich wird das durch die wertvollen Materialien, die darin stecken.

Arbeitsmittel

Info für Lehrer*innen

Eingeloggte Lehrer*innen werden hier durch Unterrichtsvorschläge und Zusatzinformationen zur Seite und zu Lernzielen unterstützt.
Mehr zu SchuBu+

Rund ums Smartphone

Smartphones sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. 95 % der Jugendlichen von 12 bis 19 Jahren besitzen ein Smartphone. Dabei wird es v. a. zum Musikhören, zum Schauen von Videos und für die Nutzung sozialer Medien verwendet.

Das mache ich am häufigsten mit dem Smartphone. Sortiert die Möglichkeiten und vergleicht eure Ergebnisse in der Klasse!

Smartphones bieten viele Möglichkeiten, sich die Zeit zu vertreiben. Unterschiedliche Apps können im Alltag hilfreich sein. Gibt es aber auch Probleme bei der Nutzung von Smartphones? Kennt ihr Tipps für einen sicheren, gesunden Umgang mit den Geräten?

Überlegt gemeinsam in der Klasse!

Rund 4 Milliarden Menschen nutzen Smartphones. Die Geräte werden meist nach nur 18 bis 24 Monaten durch ein neues ersetzt. Daher wird mit Smartphones jährlich ein Umsatz von ca. 400 Milliarden US-Dollar gemacht, da jedes Jahr rund 1 Milliarde Smartphones verkauft werden. Die alten Smartphones (und auch Tablets, Laptops usw.) werden aber nur selten recycelt. Meist landen sie in einer Schublade, sodass die wertvollen Rohstoffe nicht weiter genutzt werden können.

Info für Lehrer*innen
Smartphones sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken.
Smartphones sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken.

In einem Smartphone stecken ca. 60 verschiedene Materialien – darunter auch Gold (ca. 24 mg pro Gerät). Neben Rohstoffen benötigt der Bau eines Smartphones unter anderem auch Transportwege, Energie und Arbeitskraft: Die Rohstoffe werden auf der ganzen Welt abgebaut, aufbereitet und weiterverarbeitet. Die fertigen Bauteile werden von den Herstellern angekauft, um die Geräte zusammenzubauen. Dies passiert teilweise in Handarbeit.

Bis ein Smartphone bei den Kund*innen ankommt, müssen viele Kilometer und Arbeitsschritte zurückgelegt werden.

Wie aufwendig die Herstellung eines Produkts ist, veranschaulicht der ökologische Rucksack. Dabei wird berücksichtigt, wie viele Ressourcen für die Rohstoffgewinnung, den Transport, die Verpackung, den Gebrauch und die Entsorgung benötigt werden. Ein großer ökologischer Rucksack stellt daher auch eine größere Belastung für die Umwelt dar.

Ökologischer Rucksack eines Smartphones

Schätze die Anteile der Stationen im Leben eines Smartphones!

Rohstoffe und deren Aufgaben

Die im Smartphone verbauten Rohstoffe sind für das Gehäuse, das Display, den Akku und die Elektronik notwendig. Ein Smartphone besteht vor allem aus Metallen, Glas, Kunststoffen und weiteren Rohstoffen (wie Tonminerale). Als kritische Rohstoffe werden Materialien bezeichnet, die eine hohe wirtschaftliche Bedeutung haben, die aber nicht zuverlässig abgebaut und gefördert werden können. Beispiele im Smartphone sind Lithium, Cobalt und Indium.

Rohstoffgruppen im Smartphone nach ihrem Gewichtsanteil

Die einzelnen Bestandteile erfüllen eine Vielzahl an Aufgaben. Die eingesetzten Kunststoffe werden vor allem aus Erdölbestandteilen hergestellt. Kunststoffe werden im Smartphone für das Gehäuse, Dichtungen und Kabelhüllen verwendet. Aus Tonmineralen wird Keramik hergestellt, die im Smartphone als Isolatoren (z. B. von Kondensatoren) verwendet wird.

Glas wird für das Display und die Kamera benötigt. Bei der Herstellung von Glas wird die kristalline Struktur von Quarz (eine Modifikation von Siliciumdioxid, SiO2) durch Erhitzen aufgebrochen. Das Material wird rasch abgekühlt, sodass es erstarrt und die Bausteine unregelmäßig angeordnet sind – es liegt amorph vor. Neben Siliciumdioxid bestehen häufige Glassorten (aus denen auch z. B. Fensterglas hergestellt wird) auch aus Natriumoxid (Na2O) und Calciumoxid (CaO). Diese Metalloxide machen das Glas leicht schmelzbar.

Smartphone mit kaputtem Display
Das Display ist aus Glas. Es sollte daher durch Display-Folien und Schutzhüllen vor Kratzern und Bruch geschützt werden.
Aus kristallinem Quarz wird durch Erhitzen und rasches Abkühlen Quarzglas.
Aus kristallinem Quarz wird durch Erhitzen und rasches Abkühlen Quarzglas.
Info für Lehrer*innen

Das Glas von Smartphones ist ein Spezialglas. Es wird chemisch gehärtet, wodurch es widerstandsfähiger wird. Die Touchscreen-Funktion des Displays wird durch eine transparente Schicht aus Indiumzinnoxid ermöglicht. Diese Schicht ist außerordentlich dünn – dafür wird eine Menge von 0,0004 g Indium verarbeitet.

Touchscreen
Mit einem Touchscreen kann das Smartphone durch Berührung direkt gesteuert werden.
Info für Lehrer*innen

In Smartphones ist eine Vielzahl an Metallen und Halbmetallen verbaut. Manche davon in größeren (z. B. Eisen: ca. 15 g, Magnesium: ca. 7 g), manche in sehr geringen Mengen (z. B. Platin: 0,5 mg). Aber auch Metalle in geringen Mengen sind wertvoll. 17 Elemente werden den Metallen der Seltenen Erden zugerechnet. Das sind Metalle, die in weit verstreuten Mineralen vorkommen. Es gibt nur wenige größere Lagerstätten, sodass die Gewinnung aufwendig ist.

In einem Smartphone stecken viele Metalle und Halbmetalle. In einem Smartphone stecken viele Metalle und Halbmetalle. In einem Smartphone stecken viele Metalle und Halbmetalle. In einem Smartphone stecken viele Metalle und Halbmetalle. In einem Smartphone stecken viele Metalle und Halbmetalle. In einem Smartphone stecken viele Metalle und Halbmetalle.
In einem Smartphone stecken viele Metalle und Halbmetalle.

Die in Smartphones verwendeten Elemente besitzen spezifische Eigenschaften und erfüllen damit unterschiedliche Aufgaben in den Geräten.

Metalle im Smartphone

Finde heraus, wofür verschiedene Metalle in einem Smartphone benötigt werden!

Gewinnung von Metallen

Metalle kommen in der Erdkruste vor allem in Form von Mineralen und Erzen vor. Minerale sind anorganische, homogene, meist kristalline Substanzen. Gängige Minerale sind Oxide (z. B. Magnetit), Sulfide (z. B. Pyrit) und Carbonate (z. B. Calcit). Als Erze bezeichnet man Gemische aus Mineralen, die wirtschaftlich bedeutend sind. Sie enthalten Metallverbindungen, die der Rohstoffgewinnung dienen. Nur wenige Metalle wie Gold, Silber, Platin und Kupfer kommen auch gediegen, d. h. in reiner Form, vor.

Anteil der Metalle, den Halb- und Nichtmetallen gegenübergestellt, in der Erdkruste nach ihrem Massenanteil.
Häufigkeit der Metalle in der Erdkruste nach ihrem Massenanteil.

Von manchen Metallen benötigt man in einem Smartphone nur sehr geringe Mengen. Aber auch diese müssen aufwendig gewonnen werden. Metalle werden vor allem im Tagebau (z. B. in Steinbrüchen) und im Untertagebau abgebaut.

Goldtagebau in Nevada (USA)
Goldtagebau in Nevada (USA)
Untertagebau: mittelalterlicher Stollen in einem Silberbergwerk (im Suggental, Deutschland)
Untertagebau: mittelalterlicher Stollen in einem Silberbergwerk (im Suggental, Deutschland)

Problematik

Begehrte Rohstoffe können einen wirtschaftlichen Vorteil für die Länder, in denen sie vorkommen, bedeuten. Der Rohstoffabbau kann aber die Umwelt und die Bevölkerung gefährden – wie das Beispiel Lithium zeigt.

Der Bedarf an Lithium, vor allem für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus, steigt immer weiter an. Lithium wird aus Gestein und Salzseen gewonnen. Letztere liegen unter anderem in Chile, Argentinien, Nevada (USA) und China. Unter der Oberfläche der Salar de Atacama in der Atacama-Wüste befindet sich eine lithiumhaltige Sole (Salzlösung). Diese wird mit Wasser an die Oberfläche gepumpt. In großen Becken wird das Wasser verdunstet. Mit Hilfe von Chemikalien werden Lithium-Verbindungen von anderen Mineralen getrennt. Anschließend erfolgt die Weiterverarbeitung und der Weitertransport.

Salar del Uyuni
In der Salar del Uyuni wird Lithium abgebaut.
 Salar de Atacama
Die Gewinnung von Lithium gefährdet die Umwelt der Salar de Atacama.

Überlegt euch zu zweit, welche Folgen der Abbau und die Weiterverarbeitung von Metallen haben können!

Info für Lehrer*innen

Gewinnung von Metallen aus Erzen

Durch chemische Reaktionen werden elementare Metalle aus den Erzen gewonnen. Dazu müssen die Erze entsprechend aufbereitet werden. Bei der Verhüttung entstehende Rohmetalle werden gereinigt und weiterverarbeitet.

Die Gewinnung von Metallen aus Erzen kann grob in vier Schritte eingeteilt werden. Abhängig von den Erzen und den zu gewinnenden Metallen werden beim jeweiligen Schritt spezielle Verfahren angewendet. Ordne die Bezeichnungen den Beschreibungen zu!

Erze werden in Erzmühlen zerkleinert.
Erze werden angereichert, nicht benötigtes Gestein wird abgetrennt.
In verschiedenen Verfahren (z. B. in Hochöfen bei Eisen, Schmelzflusselektrolyse bei Aluminium) werden die Metalle gewonnen.
Die Metalle werden (z. B. durch Elektrolyse) gereinigt.
1. Zerkleinern
2. Flotation
3. Verhüttung
4. Raffination


Bravo!
Zerkleinern
Flotation
Verhüttung
Raffination

Beispiel: Verhüttung von Eisen

Aufbereitete Eisenerze werden in einem Hochofen zu flüssigem Roheisen aufbereitet. Roheisen hat einen Kohlenstoff-Gehalt von ca. 3-4 % und ist dadurch spröde und brüchig. Durch weitere Verarbeitungsschritte wird der Kohlenstoff-Gehalt reduziert, das Eisen wird dadurch zäh und verformbar (schmiedbar). Dabei wird der Kohlenstoffgehalt an den Bedarf angepasst.

    Abb. 14

    Wie funktioniert der Akku?

    Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben, bezogen auf ihr Gewicht, eine hohe Kapazität. Daher werden sie heute in vielen elektronischen Geräten (z. B. Smartphones, Tablets, Laptops) und auch in Elektroautos und E-Bikes eingesetzt.

    Batterien
    Lithium-Ionen-Akkus sind je nach Bedarf unterschiedlich aufgebaut: sie unterscheiden sich in Größe, Form und der chemischen Zusammensetzung der Bauteile.

    Die Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben ein gleiches Grundprinzip: Lithium-Ionen (Li+) wandern zwischen den beiden Elektroden, die durch einen Separator getrennt sind. Im geladenen Zustand sind die Lithium-Ionen an der negativen Elektrode in ein Grafit-Gerüst eingelagert. Beim Gebrauch des Geräts wird der Akku entladen. Dabei fließen Elektronen von der negativen Elektrode über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode. Gleich viele Li+-Ionen wandern vom Grafit-Gerüst durch den Separator. Die Elektronen werden von dem an der positiven Elektrode vorliegenden Material aufgenommen (z. B. ein Material, das Cobalt beinhaltet). Beim Laden wird der Vorgang umgekehrt.

    Info für Lehrer*innen

    Verantwortungsvoller Umgang

    Die Herstellung von Smartphones benötigt viele Ressourcen (Rohstoffe und Energie) und stellt eine Belastung für die Umwelt und das Klima dar. Daher sollten die Geräte so lange wie möglich genutzt werden. Dazu ist es wichtig, sie sorgsam zu behandeln, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Es gibt viele Geräte, die nicht auf Langlebigkeit ausgerichtet sind und daher bereits nach 1 bis 2 Jahren defekt sind. Es ist ratsam, sich vor dem Kauf über die Qualität eines Smartphones zu informieren. Mittlerweile gibt es Anbieter, deren Geräte so gebaut sind, dass sie einfacher zu reparieren sind. Dies spart Geld und Ressourcen.

    Des Weiteren gibt es Unternehmen, die auf faire Arbeitsbedingungen (z. B. entsprechende Schutzmaßnahmen) beim Abbau von Rohstoffen und der Herstellung der Geräte achten.

    Muss es nicht immer das neueste Smartphone sein? Dann bietet es sich an, ein durch Refurbishing wiederaufbereitetes Smartphone kostengünstig zu erstehen.

    In Repair-Cafés bekommt man Unterstützung bei der Reparatur von Elektrogeräten.
    In Repair-Cafés bekommt man Unterstützung bei der Reparatur von Elektrogeräten.
    Faire Arbeitsbedingungen helfen den Menschen, die die Rohstoffe abbauen und die Geräte herstellen.
    Faire Arbeitsbedingungen helfen den Menschen, die die Rohstoffe abbauen und die Geräte herstellen.

    Smartphones sind eine Lagerstätte für Sekundärrohstoffe. Das sind Materialien, die aus alten Geräten recycelt werden. Daher sollten kaputte Geräte auf jeden Fall entsprechend entsorgt werden.

    Elektrogeräte wie Smartphones liefern wertvolle Sekundärrohstoffe.
    Elektrogeräte wie Smartphones liefern wertvolle Sekundärrohstoffe.
    31. Was steckt im Smartphone?
    Tools
    Zeit
    Zufall
    Zeigen
    Rechnen
    Antworten
    Über SchuBu
    1.1.5.a
    Meine Lösung prüfen
    später prüfen
    Tipp 1
    Tipp 2
    Lösung
       
    Ok
    erledigt
    Juhu!
    Du hast alle Aufgaben abgeschlossen.
    Dein Ergebnis:
    Genug für heute
    leider falsch
    Oje!
    Das ist leider nicht ganz richtig.
    Noch einmal versuchen
    richtig
    Bravo!
    Deine Lösung ist richtig.
    Nächste Aufgabe