Seltene Erden für Europa

Seltene Erden machen die Digitaltechnik erst möglich. Obwohl sie überall vorkommen, hängt der Weltmarkt von China ab. Dringend benötigte Recyclingverfahren brauchen Unterstützung, um sich kommerziell zu etablieren.

Was sind seltene Erden?

Seltene Erden sind häufig. Ihr Name rührt daher, dass sie Ende des 18. Jahrhunderts entdeckt wurden und damals als selten galten. Es handelt sich um die chemischen Elemente Scandium, Yttrium, Lanthan und die Lanthanoide. Es sind weiche, silberweiße Metalle, die an der Luft schnell anlaufen. In der Natur kommen sie nur in oxidierter Form vor - komplexe Oxide nannte man früher Erden, daher der Name Seltene Erden. Wenn nicht die Minerale selbst, sondern ihre Metalle gefragt sind, lautet der richtige Begriff eigentlich Seltenerdmetalle.

Denn sie sind nicht selten, sondern fein verteilt, ohne große zusammenhängende Vorkommen. Deshalb ist der Abbau von Seltenen Erden, obwohl sie überall auf der Welt vorkommen, selten rentabel. Eine wirtschaftliche Quelle muss mehr als 5 Gewichtsprozent Seltene Erden enthalten. Aus gemischten Erzen können sie zusammen mit einem anderen Element wie Zirkonium oder Eisen gewonnen werden; dieses Verfahren ist bereits ab 0,5 Gewichtsprozent rentabel.

Kleine Mengen werden in der Elektronik benötigt, zum Beispiel für Halbleiter, Leuchtdioden, Bildschirme und Speichermedien. Große Mengen werden dagegen in der Windkraftindustrie und im Fahrzeugbau eingesetzt. Denn Permanentmagnete aus Seltenen Erden sind unverzichtbar, um Energie in Elektromotoren oder Generatoren effizient umzuwandeln. So steckt in jedem Elektroauto etwa ein Pfund Neodym, Dysprosium oder Praseodym. In einer Windkraftanlage sind es gut 200 Kilogramm pro Megawatt.

Wo werden seltene Erden abgebaut?

Rund 90 Prozent der weltweit abgebauten Seltenen Erden stammen aus China. Mit diesem Marktanteil kontrolliert China praktisch den Zugang zu dieser Ressource. Bei Magnetwerkstoffen ist die Abhängigkeit noch deutlicher: 98 Prozent der Seltenerdmagnete auf dem EU-Markt stammen aus chinesischer Produktion. Dabei lagern dort nur 30 Prozent der weltweiten Vorkommen. Weitere Länder, die Seltene Erden abbauen und verarbeiten, sind Australien, Brasilien, Indien, Kasachstan, Malaysia, Russland, Südafrika und die USA.

Nach Angaben des Instituts für Seltene Erden und Strategische Metalle (ISE) würden die weltweit bekannten Reserven noch mehr als 900 Jahre reichen, wenn die Nachfrage auf dem Niveau von 2017 bliebe. Da der Bedarf an Seltenen Erden jedoch jährlich um 10 Prozent steigt, könnten die bekannten Weltreserven in der zweiten Hälfte des laufenden Jahrhunderts erschöpft sein. Dann hilft nur noch das Recycling, das derzeit noch eine technische Herausforderung darstellt.

Warum hat Europa keine eigene Produktion?

Zur Abtrennung der Metalle aus den Mineralgemischen werden verschiedene Säuren eingesetzt. Zurück bleiben Abwässer, die starke Säuren enthalten und auch radioaktiv sein können.

Die Umweltauflagen für den Bergbau sind in China sehr lax. Eine fachgerechte Entsorgung der giftigen Schlämme ist die Ausnahme, vielmehr werden sie in Absetzbecken dauerhaft deponiert. Laut einer Fallstudie zu den Umwelt- und Sozialauswirkungen werden auch Abwässer ungefiltert in Flüsse geleitet, während giftige Abgase als saurer Regen weiträumig niedergehen. Die meisten Länder haben den Abbau von Seltenen Erden in den 1990er Jahren eingestellt, weil die Importe aus China billiger waren und die Umweltprobleme in weiter Ferne lagen.

Ein Problembewusstsein für die Abhängigkeit von nur einem Exportland entwickelte sich erst mit der Einführung von Exportquoten im Jahr 1999: Das chinesische Handelsministerium legte jährlich fest, wie viele Tonnen Seltene Erden exportiert werden durften. Trotzdem entstanden nicht überall auf der Welt neue Minen. Denn vor dem Aufbau einer eigenen Versorgung stehen mehrere Hürden:

• Um aus dem Mineralgemisch die einzelnen Metalle zu gewinnen, sind aufwendige Anlagen nötig.
• Durch das steigende Angebot würde der Marktwert der Metalle sinken, so dass neue Anlagen kaum rentabel wären.
• Eine saubere Produktion ohne Umweltzerstörung ist kaum möglich.

Anfang 2015 wurden die Exportbeschränkungen wieder aufgehoben. Angesichts des steigenden Bedarfs für die Energiewende und den Umstieg von Verbrennungs- auf Elektromotoren arbeitet die EU jedoch an einer unabhängigen Versorgung. Im Jahr 2020 hat die Europäische Kommission die European Raw Materials Alliance (ERMA) ins Leben gerufen. Sie soll heimische Quellen für Seltene Erden erschließen, Recycling etablieren und Importe aus Drittländern diversifizieren.

Solange es keine gesetzlichen Vorgaben für Recyclingquoten gibt, müssen Sekundärrohstoffe jedoch billiger sein als Neuware. Hier ist der Gesetzgeber gefordert, einen Mindestanteil an Rezyklaten in Neugeräten vorzuschreiben, sobald diese auf dem Markt verfügbar sind.

Nach Angaben der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe stellt sich das Verhältnis der vorhandenen Ressourcen zur Jahresproduktion der Seltenen Erden wie folgt dar: “Die Ressourcen der Seltenen Erden betragen mehr als das Tausendfache der derzeitigen Jahresproduktion und sind damit deutlich höher als bei allen anderen wirtschaftsstrategischen Metallen. In Ländern mit großen Vorkommen wie Brasilien oder Russland findet derzeit jedoch nur ein sehr begrenzter oder gar kein Abbau statt. Problematisch ist vor allem die Wirtschaftlichkeit von Seltene-Erden-Projekten, da insbesondere die für die Weiterverarbeitung notwendigen Anlagen sehr komplex und damit kostenintensiv sind. Niedrige Weltmarktpreise und Umweltbedenken verhindern zudem, dass eines der zahlreichen gut exponierten Seltenerdprojekte außerhalb Chinas in Produktion geht.” (Quelle: Wissenschaftliche Dienste des Deutschen Bundestages)

Alternative Quellen

Bisher liegt die Recyclingquote bei einem Prozent. Bestenfalls werden Magnetwerkstoffe recycelt. In Elektrogeräten ist die Konzentration der Seltenen Erden meist so gering, dass sich ein Recycling mit den bekannten Verfahren nicht lohnt.

Ein aktueller Hoffnungsträger ist das neu entwickelte Verfahren Flash-Joule-Heating, das mit geringem Energieeinsatz die meisten Metalle zurückgewinnt und störende Kunststoffe verschwelt. Bisher wurde das Verfahren allerdings nur im Labor erprobt. Die erste kommerzielle Anlage befindet sich noch in der Entwicklung. Langfristig hat Flash-Joule-Heating vermutlich das Potenzial, das Urban Mining auf eine neue Stufe zu heben.

Ein anderer Ansatz ist Lanmodulin. Dabei handelt es sich um ein von Bakterien produziertes Protein, das Seltene Erden aus einer Lösung bindet. Im Experiment konnten die Elemente Neodym und Dysprosium zu je 80 Prozent sauber getrennt aus einem Gemisch zurückgewonnen werden, das ähnlich zusammengesetzt war wie Elektroschrott. Da Lanmodulin erstaunlich stabil ist, kann das Absorbermaterial sogar mehrfach wiederverwendet werden.

Bakterien haben natürliche Feinde: Bakteriophagen. Diese in der Natur auf Bakterien spezialisierten Viren werden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf auf magnetische Schwermetalle angesetzt. Dazu wurden sie an Magnetkügelchen verankert und so verändert, dass sie Ionen einer bestimmten Größe binden. Werden sie mit dem pulverisierten Elektroschrott in Wasser verrührt, bleibt das gesuchte Metall haften und kann mit einem Magneten aus der Lösung gefischt werden.

Biotechnologische Verfahren könnten in Zukunft die Säuren im Bergbau ersetzen, um die in Skandinavien lagernden Erze umweltfreundlich abzubauen. Auch die bisher als unrentabel geltende Lagerstätte im sächsischen Erzgebirge, in der Indium und Seltene Erden gemischt vorkommen, soll mit Hilfe von Bakterien wirtschaftlich erschlossen werden. (Quelle: Circular Technology)

Auch Produktionsabfälle enthalten noch so viel Metall, dass sich eine Filterung bald lohnen könnte. So wurden beispielsweise im Abwasser eines Betriebes in Deutschland, der Katalysatoren für die Erdölindustrie herstellt, 50 mg/l Lanthan gemessen. Der wertvolle Rohstoff wird ungefiltert in den Rhein geleitet. Eine weitere mögliche Quelle ist der Ostseesand, der jedes Jahr für Strandaufspülungen ausgebaggert wird. Er enthält in Zirkon eingebettete Seltene Erden. Derzeit wird ein Verfahren entwickelt, um sie aus dem Schlick abzutrennen. (Quelle: VDI-Nachrichten)

Welche Seltenerdmetalle gibt es?

Insgesamt gibt es 17 Seltene Erden. Allerdings kommen nur 16 von ihnen natürlich vor.

Das zuletzt entdeckte Promethium ist mit einer Halbwertszeit von 17,7 Jahren radioaktiv. Es wurde zwar in Spuren in radioaktiven Erzen nachgewiesen, muss aber in nennenswerten Mengen als Spaltprodukt von Uran künstlich hergestellt werden. Seine wirtschaftliche Bedeutung ist daher gering.

Bemerkenswert sind die Elemente Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Terbium. Sie sind neben Eisen, Nickel und Kobalt die einzigen Elemente, die ferromagnetisch sind.

Im Folgenden werden alle 17 Elemente kurz vorgestellt.

1. Scandium

Scandium leuchtet in Hochleistungs-Hochdruck-Quecksilberdampflampen, zum Beispiel in der Stadionbeleuchtung. Denn zusammen mit Holmium und Dysprosium lässt sich eine Lichtfarbe mischen, die dem Tageslicht sehr nahe kommt. Auch in magnetischen Datenspeichern und bei der Herstellung von Laserkristallen kommt es zum Einsatz. Hochwertigen Fahrradrahmen aus Aluminium wird ein Prozent Scandium beigemischt, um die Zugfestigkeit der Legierung zu erhöhen. Der Name Scandium stammt aus Skandinavien, wo es entdeckt wurde.

2. Yttrium

Yttrium wird hauptsächlich in Verbindung mit Europium und Thulium in Leuchtstoffen für Leuchtstofflampen und Kathodenstrahlröhren verwendet. Außerdem wird es in Lambdasonden, Supraleitern und Zündkerzen verwendet. In Legierungen mit Kobalt dient es als Dauermagnet. Wie Ytterbium, Terbium und Erbium ist es nach seinem Entdeckungsort Ytterby in Schweden benannt.

3. Lanthan

Lanthan wird für die Herstellung von Gläsern mit hohem Brechungsindex benötigt, z. B. für Kamera- oder Teleskoplinsen und für Brillengläser. Es wird auch in Kathoden für Brennstoffzellen verwendet. Lanthan-Nickel wird als Wasserstoffspeicher in Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren verwendet. Außerdem ersetzt es giftige Bleiverbindungen in Kristallglas und Porzellanglasuren. Der Name leitet sich vom griechischen “lanthanein” ab, was “verborgen sein” bedeutet.

4. Cerium (Cer)

Cerhaltige Leuchtstoffe werden in Bildschirmen und Leuchtstofflampen eingesetzt. In der Glasherstellung ermöglicht es die selektive Blockierung von UV-Licht. Das meiste Cer wird als Poliermittel Ceroxid zum Polieren von optischen Präzisionskomponenten und Siliziumwafern für Mikrochips verwendet. Außerdem wird es als Katalysator in Kraftfahrzeugen, bei der Erdölraffination und in Brennstoffzellen eingesetzt. Es wurde nach dem kurz zuvor entdeckten Zwergplaneten Ceres benannt.

5. Praseodym

Praseodym-Magnesium-Legierungen werden zur Herstellung von hochfestem Metall für Flugzeugtriebwerke verwendet. In Legierungen mit Kobalt oder Eisen ergibt es starke Dauermagnete. Praseodymverbindungen werden zur Grünfärbung von Glas verwendet, zum Beispiel in grünen Scheinwerfergläsern in der Beleuchtungstechnik und in Augenschutzgläsern beim Schweißen.

Daher kommt auch der Name: Das griechische Wort “prasinos” bedeutet “lauchgrün”, “didymos” bedeutet “Zwilling”. Praseodym ist also der grün schimmernde Zwilling des Lanthans.

6. Neodym

Extrem starke Magnete für Kernspintomographen, Mikromotoren und Festplatten werden aus Neodym-Eisen-Bor-Verbindungen hergestellt. Sie werden auch in Permanentmagnet-Rotoren für Schritt- und Servomotoren, in bestimmten Typen von Windkraftanlagen und für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet. Man findet sie auch in Linearmotoren für CNC-Maschinen oder in hochwertigen Lautsprechern und Kopfhörern. Der Name des Elements leitet sich vom griechischen “neos” für “neu” und “didymos” für “Zwilling” ab. Es bedeutet also schlicht “neuer Zwilling des Lanthans”.

7. Promethium

Wegen seiner Kurzlebigkeit und Seltenheit wird Promethium kaum verwendet. In der radiometrischen Dicken- und Füllstandsmessung wird es als Betastrahler verwendet. In der Raumfahrt, zum Beispiel an Bord von Satelliten, wird es in Radionuklidbatterien eingesetzt. Promethium ist nach Prometheus aus der griechischen Mythologie benannt.

8. Samarium

Dieses Element wird zur Herstellung von Dauermagneten verwendet, die eine hohe Beständigkeit gegen Entmagnetisierung aufweisen. Sie werden in Schrittmotoren für Kleingeräte und Festplatten, in Kopfhörern und in bestimmten Sensoren verwendet. Der Name geht auf den Bergbauingenieur Samarski zurück, der das Mineral Samarskit entdeckte.

9. Europium

Europium ist eines der reaktionsfreudigsten Metalle der Seltenen Erden. An der Luft reagiert es sofort, Metallstäube sind brennbar und explosiv. Bei Temperaturen über 150 °C entzündet es sich, in Wasser reagiert es zum Hydroxid.

Es wird in Plasmabildschirmen verwendet, wo mit Europium dotierte Leuchtstoffe die Vakuum-UV-Strahlung in sichtbares rotes und blaues Licht umwandeln. In Euro-Banknoten wird seine Fluoreszenz als Fälschungsschutz eingesetzt. Seinen Namen verdankt es dem Kontinent Europa.

10. Gadolinium

Gadoliniumverbindungen finden Anwendung bei der Herstellung von wiederbeschreibbaren Compact Discs. Außerdem dienen sie als Kontrastmittel bei medizinischen Untersuchungen im Kernspintomographen. Der Name geht auf den Chemiker Gadolin zurück, der das Mineral Gadolinit entdeckte.

11. Terbium

Terbium wird zur Dotierung von Halbleitern verwendet. Außerdem stabilisiert es die Struktur von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Terbium ist auch in Kathodenstrahlröhren und Leuchtstofflampen enthalten. In Neodym-Eisen-Bor-Magneten wird es zugesetzt, um den Widerstand gegen Entmagnetisierung zu verbessern. Wie Yttrium, Ytterbium und Erbium ist es nach seinem Entdeckungsort Ytterby in Schweden benannt.

12. Dysprosium

Das meiste Dysprosium wird in Magneten für Windkraftanlagen verwendet. Außerdem wird es mit Blei legiert als Abschirmmaterial in Kernreaktoren verwendet. Der Name Dysprosium leitet sich vom griechischen Wort “dysprositos” für “unzugänglich” ab.

13. Holmium

Die ferromagnetischen Eigenschaften von Holmium sind denen von Eisen weit überlegen; es ist praktisch das magnetischste natürlich vorkommende Element. Deshalb wird es für Hochleistungsmagnete, aber auch in Steuerstäben von Kernreaktoren, für Festkörperlaser und in Mikrowellenbauteilen verwendet. Die Stadt Stockholm ehrt es mit ihrem Namen.

14. Erbium

Erbium wirkt als optischer Verstärker, d.h. es kann ein Lichtsignal verstärken, ohne es vorher in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Mit Erbium dotierte Gläser und Kristalle werden als Glasfasern und als Verstärker in faseroptischen Kommunikationssystemen verwendet. Erbium-Laser werden in der Dermatologie und Zahntechnik eingesetzt, stärkere Erbium-Ytterbium-Laser auch zum Schneiden und Schweißen von Metallen. Der Name leitet sich wie bei Yttrium, Ytterbium und Terbium vom Entdeckungsort Ytterby in Schweden ab.

15. Thulium

Thuliumdotierte Materialien ermöglichen die Herstellung von Röntgenverstärkerfolien und finden sich auch in Leuchtschirmen der Röntgentechnik. Thuliumverbindungen werden auch in Personendosimetern zur Messung niedriger Strahlendosen verwendet. Thulium ist nach der mythischen Insel Thule benannt.

16. Ytterbium

Ytterbium verbessert die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl. In Legierungen mit anderen Metallen bildet es hochwertige Dauermagnete. Ansonsten ist seine technische Bedeutung eher gering. Wie Yttrium, Terbium und Erbium ist es nach seinem Fundort Ytterby in Schweden benannt.

17. Lutetium

Lutetium wird in der Positronen-Emissions-Tomographie verwendet. Es kann auch als Katalysator beim Cracken von Erdöl eingesetzt werden. Lutetium ist nach der antiken Stadt Lutetia benannt, aus der sich das heutige Paris entwickelte.

Fazit

Die Metalle der Seltenen Erden sind in der Elektronik unersetzlich. Sie kommen weltweit vor, ihr Abbau ist jedoch so teuer und umweltschädlich, dass die meisten Länder auf Exporte aus China angewiesen sind.

Derzeit werden verschiedene Recyclingverfahren entwickelt. Sobald sich eines davon am Markt etabliert hat, kann ein Teil der steigenden Nachfrage aus bisher nicht verwertbaren Abfällen gedeckt werden. Damit Elektronikschrott in Zukunft direkt in Europa verwertet werden kann, ist es notwendig, schnellstmöglich in die Entwicklung marktreifer Anlagen zu investieren. Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, wertvollen Schrott, wie zum Beispiel Magnete aus Windkraftanlagen und Fahrzeugen, in Europa zu lagern, bis er hier gewinnbringend zerlegt werden kann.

Um die europäischen Erzvorkommen zu erschließen, wurden biotechnologische Verfahren entwickelt. Der Transfer dieser Methoden in einen neuen europäischen Bergbau bietet langfristige Investitionschancen.

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