Die westliche Welt braucht die Metalle der Seltenen Erden dringend für ihre Hightech-Produkte – und Lagerstätten gibt es vor allem in China. In Deutschland suchen Forschung und Industrie nach einem technologischen Ausweg.
Der Name führt in die Irre. Denn Seltene Erden sind Metalle. Es sind Metalle, die so unedel sind, dass sie in der Natur – anders als Gold oder Silber – nur als Oxide vorkommen. Und: Selten sind sie auch nicht, wenn man ihre Häufigkeit in der Erdkruste mit der von anderen Metallen vergleicht. Zinn und Kobalt sind spärlicher vorhanden als das Seltene Erdmetall Cer, Blei ist seltener als Neodym, und im Vergleich zu Silber, Gold oder Platin sind sogar die Seltenen Erden Europium und Thulium häufig. Aber: Seltene Erden kommen nirgendwo auf der Welt in Lagerstätten vor, die sich bequem abbauen lassen wie Kohle oder Gold. Vielmehr treten sie immer nur als Beiwerk auf. Oft ist ihre Konzentration so gering, dass sich ihr Abbau wirtschaftlich nicht lohnt.
Vor diesem Hintergrund muss eine Rede des chinesischen Präsidenten Deng Xiaoping geradezu alarmierend für Wirtschaftsstrategen geklungen haben, als er 1992 sagte: „Der Nahe Osten hat Öl, China hat Seltene Erden.” Der derzeit amtierende Premierminister Wen Jiabao wurde noch deutlicher: „ Anfang der 80er-Jahre haben wir Seltene Erden zum Preis von Salz verkauft. Sie verdienen es jedoch, zum Preis von Gold verkauft zu werden.”
Der zehnfachE Preis
Es ist diese Haltung Chinas, wegen der Seltene Erden seit einigen Jahren häufiger im Politik- und Wirtschaftsteil der Tageszeitungen auftauchen als im Wissenschaftsressort. Denn China ist aufgrund seiner großen Vorkommen an Seltenen Erden zum weitaus größten Förderer und Produzenten geworden. Weit mehr als 90 Prozent des weltweiten Bedarfs an diesen Metallen werden von China gedeckt. Der Preis für manche der begehrten Stoffe hat sich zwischen 2008 und 2011 verzehnfacht, wie aus einer Studie der Unternehmensberatung Roland Berger hervorgeht. Die Ursache des Preisanstiegs liegt nicht so sehr in der zweifellos gestiegenen Nachfrage als vielmehr in den chinesischen Exportbeschränkungen. Und: Wie chinesische Zeitungen im August berichteten, wollen staatliche Behörden in China rund 18 000 Tonnen an Seltenen Erden aus eigener Förderung aufkaufen und als strategische Reserve einlagern – das bedeutet eine zusätzliche Verknappung.
Diese trifft vor allem die Hightech- Industrie, denn Seltene Erden besitzen aufgrund ihres atomaren Aufbaus viele Eigenschaften, die in modernen Anwendungen erwünscht sind. So ließen sich die heute gebräuchlichen Permanentmagnete, die etwa in Geräten der Unterhaltungselektronik, in Computern, Windkraftanlagen sowie bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen eine wichtige Rolle spielen, ohne diese Materialien nicht herstellen. Keine Energiesparlampe, keine Leuchtdiode, kein LCD-Fernseher kommt ohne Seltene Erden aus. Selbst in Schleifmitteln der glasverarbeitenden Industrie spielen sie eine Rolle. Von den rund 140 000 Tonnen des Rohmaterials aus Seltenen Erden entfielen 2011 laut Roland Berger 30 Prozent auf die Glas- und Keramikfertigung, rund 20 Prozent auf Magnete, fast der gleiche Anteil auf Katalysatoren sowie auf Legierungen und Akkus. Weitere 7 Prozent fanden in der Beleuchtungsindustrie Verwendung.
Immer knapper und teurer
„Viele Unternehmen müssen mit der Herausforderung umgehen, dass Seltene Erden zunehmend knapper und zudem ständig teurer werden”, sagt Thomas Rinn, Partner bei Roland Berger. Sie tun das auf wirtschaftlicher und politischer Ebene – aber auch die Suche nach technischen Alternativen hat längst begonnen. Zum Beispiel bei Poliermitteln für hochwertige optische Gläser, die etwa in Fernrohren oder Fotokameras eingesetzt werden: Sie enthalten meist Ceroxid, eine Verbindung des Seltenen Erd-Metalls Cer. Hersteller der Schleifmittel ersetzen es bereits teilweise durch Aluminium- oder Zirkonoxid. Doch bisher lassen sich damit keine so guten optischen Eigenschaften erreichen wie mit Cer. Forscher und Ingenieure aus mehreren Hightech-Unternehmen gehen derzeit der Frage nach, wie sich die alternativen Poliermittel verbessern lassen.
Auch bei Permanentmagneten suchen deutsche Forscher nach Ersatz für die Seltenen Erden. Eine Legierung aus Eisen, Bor und dem Seltenen Erd-Metall Neodym ermöglicht den Bau der stärksten Permanentmagnete, die man derzeit herstellen kann. Solche Dauermagnete können sehr stark und dennoch klein sein. Davon profitieren etwa Mikrofone und Lautsprecher in Notebooks und Smartphones sowie Schreib-Lese-Köpfe von Festplatten. Denn in diesen Geräten kommt es auf möglichst kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht an.
Ähnlich ist es bei der Windkraft. Mit Permanentmagneten ausgestattete Anlagen arbeiten mit Generatoren, die ohne Getriebe auskommen, weil sie durch ihre besondere Bauart die relativ langsame Bewegung des Windrads direkt in eine schnelle Rotation umwandeln können, um Strom zu erzeugen. Das Fehlen eines Getriebes bedeutet weniger Gewicht und einen geringeren Wartungsaufwand, was gerade für Offshore-Windparks ein großer Vorteil ist. Allerdings: Für diese Bauform sind pro Megawatt erzeugter Leistung fast 200 Kilogramm an Seltenen Erden erforderlich.
Kritischer Stoff
„Solche Permanentmagnete enthalten nicht nur Neodym, sondern auch acht Gewichtsprozent der Seltenen Erden Dysprosium und Terbium”, erklärt Oliver Gutfleisch, Professor für Materialwissenschaften an der TU Darmstadt und einer der Leiter der im Juni 2012 gegründeten Fraunhofer-Projektgruppe Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS). Vor allem in Europa und Japan laufen Forschungen, um den Anteil von Dysprosium und Terbium deutlich zu verringern: Beide Metalle gehören mit Blick auf ihre Verfügbarkeit unter den Seltenen Erden zu den kritischen Elementen. Gutfleisch glaubt, dass sich mit den neu entwickelten Herstellungsverfahren der Anteil dieser beiden Seltenen Erd-Metalle in Permanentmagneten auf zwei Prozent des Gewichts drücken lässt. „Der Weg ist vorgezeichnet und kurz- bis mittelfristig gangbar”, ist der Wissenschaftler überzeugt.
Dysprosium und Terbium sorgen in Magneten aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung dafür, dass die permanente Magnetisierung auch bei hohen Temperaturen für lange Zeit erhalten bleibt. Bislang mischt die Industrie die beiden Elemente bei der Herstellung des Magneten einfach gleichmäßig unter. „Aus materialwissenschaftlicher Sicht würde es genügen, wenn man Dysprosium und Terbium nur entlang der Kristallit-Grenzen anreichert”, sagt Gutfleisch.
Viele winzige Magnete
Einen aus der Schmelze und dann pulvermetallurgisch erzeugten Dauermagneten kann man sich im Inneren wie eine Ansammlung vieler winziger magnetisierter Bereiche („Kristallite”) vorstellen. Befinden sich Dysprosium und Terbium als nur wenige Nanometer dünne Schichten zwischen diesen Grenzen, sorgen sie bereits für eine dauerhafte Magnetisierung des kompletten Magneten. Doch wie bringt man die Substanzen dorthin?
Zwei Ansätze werden derzeit intensiv erforscht. „Entweder man beschichtet einen klassischen Magneten zum Beispiel mit Dysprosium und glüht ihn bei Temperaturen, bei denen er noch nicht schmilzt, dann diffundiert das Element nur entlang der Kristallit- Grenzen und nicht ins ganze Materialvolumen”, erklärt Gutfleisch. „Oder man beschichtet noch vor dem Sintern des Magneten die einzelnen Partikel mit Dysprosium, zum Beispiel in einem Bad.” Der Materialwissenschaftler schätzt, dass dieses Verfahren in den nächsten drei Jahren zu industriell verwertbaren Ergebnissen kommen wird.
Permanentmagnete ganz ohne Seltene Erden sind deutlich schwieriger zu verwirklichen. Dafür wäre es erforderlich, Materialien wie Eisen-Kobalt- Legierungen, die eine extrem hohe Magnetisierung aufweisen, so zu modifizieren, dass sie diese auch in elektromagnetischen Wechselfeldern auf Dauer behalten. Dann könnten die Eigenschaften der Legierungen mit denen heutiger Permanentmagnete konkurrieren oder diese sogar übertreffen. „Doch das ist ein langer und schwieriger Weg”, warnt Gutfleisch vor zu hohen Erwartungen.
Auch in den Motoren von elektrisch betriebenen Fahrzeugen stecken Magnete und Generatoren, die Seltene Erden enthalten. Ohne sie hätten die Motoren einen schlechteren Wirkungsgrad, und die Reichweite der E-Autos wäre kürzer. Doch Hersteller wie CPM Compact Power Motors aus Unterföhring bei München konnten durch ein verändertes Motorendesign den Bedarf an den exquisiten Metalle deutlich reduzieren.
Während es also absehbar ist, dass für die Herstellung von Permanentmagneten weniger von den besonders knappen Seltenen Erden gebraucht wird, ist die Situation bei Leuchtstoffen komplizierter. Diese Substanzen stecken in Energiesparlampen, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden und Bildschirmen. Verwendet werden vor allem die Seltenen Erden Cer, Europium und Terbium. „ Es gibt in der Forschung verschiedene Ansätze, um sich von dieser Abhängigkeit zu befreien”, sagt Katrin Barth, wissenschaftliche Mitarbeiterin der Fraunhofer-Projektgruppe IWKS.
Manche Forscher entwickeln Leuchtstoffkonzepte weiter, die einst bei Schwarzweiß-Bildröhren eine Rolle gespielt haben. Auch Mangan-Ionen werden immer wieder als vielversprechender Ansatz gehandelt, weil sie wie Seltene Erden bei einzelnen Wellenlängen Licht abstrahlen können, wodurch sich ein Leuchtstoff gezielt designen ließe. „Aber bisher gelang das nur mit mäßigem Erfolg”, sagt Thomas Jüstel, Professor für Anorganische Chemie am Institut für Optische Technologien der Fachhochschule Münster. „Die erzielte Quantenausbeute – also der Anteil des Lichts, der tatsächlich das Auge erreicht – war gering.”
Manche Wissenschaftler sehen in Quantenpunkten eine Alternative. Quantenpunkte sind Halbleiterstrukturen, die aufgrund ihrer Größe und Beschaffenheit nur Licht bestimmter Farbe ausstrahlen können. Durch die Kombination verschiedener Materialsysteme, so die Hoffnung der Forscher, könnten sich Lichtquellen oder Leuchtstoffe herstellen lassen, die ohne Seltene Erd-Metalle auskommen. Allerdings: Trotz ermutigender Laborergebnisse ist der Weg zu einer massentauglichen Anwendung noch weit – zumal die verwendeten Substanzen wie Kadmium umweltschädlich sind.
Doch die westlichen Staaten könnten den Chinesen als Quasi-Monopolisten bei Seltenen Erden eine lange Nase drehen, wenn sie stärker auf eigene Vorkommen setzen würden. Denn nur rund ein Drittel der bekannten weltweiten Reserven lagern in China. Große Vorkommen gibt es auch in den USA, in Kanada und Australien – wo aber etliche Minen in den letzten Jahrzehnten geschlossen wurden, weil der Abbau unrentabel war. Nun sollen einige Förderanlagen wieder in Betrieb genommen werden, zum Beispiel die Mountain Pass Mine in Kalifornien und ein Bergwerk am australischen Mount Weld. Noch größere Vorkommen könnten in Afrika lagern: etwa in magmatischen Gesteinen, sogenannten Karbonatiten. Allerdings: Die Chinesen haben dieses Potenzial bereits erkannt und sich durch Investitionen und Kredite einen Zugriff auf einen großen Teil der Bodenschätze des Schwarzen Kontinents gesichert.
Selbst in Deutschland gibt es Vorkommen von Seltenen Erden. Die größte bekannte Lagerstätte durchzieht den Untergrund von Storkwitz, einem Stadtteil von Delitzsch im Norden Sachsens (siehe Kasten S. 94, „Der Schatz von Storkwitz”).
Aufwendige Rückgewinnung
IWKS-Wissenschaftlerin Barth hält auch das Recycling von Leuchtstoffen für eine gute Möglichkeit, um den Bedarf an frisch geförderten Seltenen Erden zu senken. Ein solcher Leuchtstoff hat zwar nur wenige Gramm Gewichtsanteil an einer Leuchtstoffröhre oder Energiesparlampe – und die Seltenen Erden damit noch viel weniger. „Doch die schweren Seltenen Erden haben höhere Gewichtsanteile als in natürlichen Vorkommen”, sagt Barth – das Recycling würde sich also lohnen. Während es bei Produktionsabfällen bereits erste Ansätze für das Recycling gibt, ist die Trennung der Stoffe am Ende des Lebenszyklus bisher bloß eine Vision – zumal eine aufwendige und teure.
Auch das Freiburger Öko-Institut kommt in einer Studie von 2010 zu dem Schluss, dass das Recycling Seltener Erden – neben der Erforschung von Alternativen – ein wichtiger Schritt für eine langfristige Rohstoffversorgung ist. „Wenn entsprechende Wertstoffsysteme etabliert sind, kann das den Bedarf an neuen Rohstoffen für manche Anwendungen um 25 bis 50 Prozent verringern” , sagt Doris Schüler, federführende Autorin der Studie. Für den Aufbau eines solchen Systems veranschlagt sie fünf bis zehn Jahre.
Hohe Recyclingquoten würden auch die Kosten-Nutzen-Analyse von Nachfolgetechnologien beeinflussen. Und die heute kursierenden Prognosen zum künftigen Bedarf sollte man laut Schüler kritisch sehen: „Gerade was Permanentmagnete betrifft, sind die Zahlen zu den erforderlichen Mengen an Seltenen Erden in verschiedenen Anwendungsfeldern sehr unsicher.” ■
MICHAEL VOGEL aus Bietigheim-Bissingen schreibt in bild der wissenschaft häufig über Themen aus Technik, Physik und Astronomie.
von Michael Vogel
Gut zu wissen: Seltene Erden
Seltene Erden werden im Chemieunterricht kaum erwähnt. Auch viele Darstellungen des Periodensystems behandeln diese Stoffe eher als Fußnote denn als vollwertige Elemente. Zu den insgesamt 17 Seltenen Erden gehören drei Elemente der dritten Gruppe des Periodensystems (Scandium, Yttrium und Lanthan) sowie die 14 Elemente der Lanthanoide (Ordnungszahlen 58 bis 71). Aus chemischer Sicht verhalten sich diese Elemente sehr ähnlich, obwohl sie im Periodensystem teils weit auseinander liegen. Der Grund ist die besondere Struktur der Elektronenhülle bei den Lanthanoiden: Dort werden erstmals die sogenannten f-Orbitale mit Elektronen besetzt, die bei den chemischen Elementen mit niedrigerer Ordnungszahl aus energetischen Gründen frei bleiben. Die f-Orbitale liegen aber näher am Atomkern als das äußerste voll besetzte Elektronenorbital der Lanthanoide. Da für chemische Reaktionen nur die äußersten Elektronen eines Elements eine Rolle spielen, verhalten sich alle Lanthanoide chemisch mehr oder minder gleich. Physikalisch dagegen haben sie aufgrund der f-Elektronen starke magnetische Momente und klar definierte Energiezustände, dank derer sie leuchten können. Das macht die Einzigartigkeit der Seltenen Erden aus. Zwar gibt es im Periodensystem auch unterhalb der Lanthanoide Elemente, die f-Elektronen besitzen, doch die sind nicht stabil und zerfallen radioaktiv.
Kaum Ersatz für Neodym & Co
Elemente der Seltenen Erden stecken zum Beispiel in Batterien, Katalysatoren, Elektromotoren und Energiesparlampen. Nur in wenigen dieser Produkte wird sich der Bedarf in absehbarer Zeit reduzieren lassen.
Der Schatz von Storkwitz
Rund drei Dutzend Häuser und Höfe auf dem flachen Land, umgeben von Äckern und Straßen: Der Weiler Storkwitz, rund ein Kilometer außerhalb der Stadt Delitzsch im Norden von Sachsen, wirkt nicht sehr verlockend. Doch unter dem Ort schlummert ein Schatz: Vermutlich rund 40 000 Tonnen chemischer Verbindungen von Seltenen Erden stecken in einer Erzlagerstätte, die mehrere Hundert Meter weit in die Tiefe reicht.
Entdeckt wurde das unterirdische Rohstoff-Depot bereits in den 1970er-Jahren, als Bohrtrupps der DDR die Region nach Uran absuchten. Da die Bergbauingenieure kein Uran fanden, zogen sie unverrichteter Dinge weiter – für Seltene Erden hatte die ostdeutsche Industrie damals keine Verwendung.
Das ist heute anders. Wie in vielen anderen Ländern suchen Geophysiker auch in Deutschland nach Vorkommen der kostbaren Metalle. Für das Erzlager nordwestlich von Delitzsch hat die Deutsche Rohstoff AG aus Heidelberg seit 2007 eine Erkundungslizenz. Im Frühsommer 2012 begannen Mitarbeiter des Unternehmens damit, Umfang und Struktur des „Schatzes von Storkwitz” noch einmal zu untersuchen – nach aktuellen europäischen Richtlinien. Bis Ende des Jahres sollen die Resultate der Probebohrungen vorliegen.
Ob danach mit dem Abbau der Seltenen Erd-Metalle begonnen wird, ist allerdings offen. Denn die Verhältnisse in der nordsächsischen Lagerstätte sind schwierig: Die Erzadern ziehen sich sehr weit hinab und der Anteil der Elemente Cer, Europium, Lanthan, Neodym, Praseodym und Yttrium am Gestein ist mit insgesamt rund einem halben Prozent vergleichsweise gering. Aber wenn das derzeitige Hauptförderland China das Angebot der wichtigen Rohstoffe weiterhin künstlich verknappt, könnte sich ein Abbau dennoch lohnen.
China versorgt die Welt
In vielen Regionen der Erde gibt es üppige Reserven an Seltenen Erden, zum Beispiel in den USA und in Kasachstan – die Karte zeigt die erkundeten Vor- kommen. Heute kommen die begehrten Metalle fast alle aus China.
Kompakt
· China ist der mit Abstand größte Produzent Seltener Erden.
· Diese Metalle sind bislang in vielen Hightech-Produkten unersetzlich.
· Bei Permanentmagneten stehen die Chancen gut, den Bedarf deutlich zu verringern.
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Lesen
Christoph Seidler Deutschlands verborgene Rohstoffe Kupfer, Gold und Seltene Erden Carl Hanser Verlag, München 2012, € 18,90
Internet
Deutsche Rohstoff-Agentur in der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: www.deutsche-rohstoffagentur.de
Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie: www.iwks.fraunhofer.de
Hier kann man die Studie „The rare earth challenge” von Roland Berger bestellen: www.rolandberger.de/medien/presse/pressemitteilungen/ Preisspirale_bei_Seltenen_Erden.html
