Seltene Erden und kritische Rohstoffe

Über kritische Rohstoffe hatte ich bereits 2016 eine Reihe von Posts veröffentlicht (siehe Label "Rohstoffe"). Eine interessante Zusammenfassung aktueller Entwicklungen zu diesem Thema liefert Christian Ehrensberger in den Nachrichten aus der Chemie in dem Artikel "Kritische Rohstoffe - Weder selten noch alternativlos" (Nachrichten aus der Chemie Sep. 2023, Jahrgang 71, S. 43-47).

Seltenerdoxide	Neodymmagnete
Quelle der Abbildung: Wikimedia Commons.	Quelle der Abbildung: Wikimedia Commons.

Raw Materials and Resources - Part 6

Liste kritischer Rohstoffe

„Die im Folgenden aufgeführten 20 Rohstoffe sind deshalb kritisch, weil bei ihnen das Risiko eines Versorgungsengpasses und dessen Folgen für die Wirtschaft größer sind als bei den meisten anderen Rohstoffen. Aus der Tabelle ist klar ersichtlich, dass China für die weltweite Versorgung mit den 20 kritischen Rohstoffen das einflussreichste Land ist. Mehrere andere Länder dominieren die Versorgung mit bestimmten Rohstoffen, wie etwa Brasilien bei Niob. Die Versorgung mit anderen Rohstoffen, beispielsweise Metallen der Platingruppe und Boraten, ist stärker diversifiziert, aber immer noch konzentriert. Zu den mit der Konzentration der Rohstoffgewinnung verbundenen Risiken kommt in einigen Fällen erschwerend hinzu, dass der Rohstoff nur schwer ersetzt werden kann und seine Rückgewinnungsquote gering ist.“ (Quelle: „Überprüfung der Liste kritischer Rohstoffe für die EU und die Umsetzung der Rohstoffinitiative“) 

Element	Kommentar	Anwendung
Antimon	Hauptproduzent ist China (ca. 90%), als Flammschutzmittel schlecht ersetzbar, niedrige Recyclingrate	als Legierungsmetall (Lagermetall, Akkumulatoren-Blei, Letternmetall, u.a.), Flammschutzmittel
Beryllium	90% der Weltproduktion aus den USA, kaum substituierbar, niedrige Recyclingrate	Legierungsmetall in der Elektronik (funkenfreie, nichtmagnetische Werkstoffe, Bonddrähte für Halbleiter), Fenster von Röntgenröhren, Moderatoren und Neutronenreflektoren in Kernreaktoren
Borate	Hauptproduzenten Türkei und USA, schlecht ersetzbar, kein Recycling	Glas- und Keramikindustrie, Flussmittel beim Hartlöten und Schweißen, Holzschutzmittel, in Wasch- und Bleichmitteln
Chrom	Produzenten sind Südafrika, Kasachstan, Indien; kaum ersetzbar, niedrige Recyclingrate	Legierungselement für Stahl, Verchromung von Bauteilen, Katalysatoren, Gerben von Fellen,
Cobalt	Hauptproduzent ist DR Kongo (56%), schlecht ersetzbar, niedrige Recyclingrate	hochlegierte Stähle, Bindephase in Hartmetall-Sinterwerkstoffen, magnetische Legierungen, in Lithium-Ionen-Akkumulator, hitzefeste Farben, blaues Glas
Kokskohle	Hauptproduzenten China, Australien, Russland, USA; schlecht ersetzbar, kein Recycling	Eisenproduktion, Reduktionsmittel in der Metallurgie
Flussspat	Hauptproduzenten China, Mexiko, Mongolei; kaum ersetzbar; kein Recycling	als Flussmittel in der Metallurgie und Stahlproduktion, Herstellung von Flusssäure und Fluoriden, Fluss- und Trübungsmittel in der Glasindustrie, optische Gläser
Gallium	Hauptproduzenten China und Deutschland; Nebenprodukt der Aluminiumproduktion; schlecht ersetzbar; kein Recycling	Galliumarsenid in der Hochfrequenztechnik (Mobiltelefone, Satelliten, Radaranlagen), Solarzellen, Laserdioden
Germanium	Hauptproduzenten China, Kanada, USA; Nebenprodukt der Zinkproduktion und aus Flugasche; kaum ersetzbar; kein Recycling	Verbindungshalbleiter in der Hochfrequenztechnik, Röntgendetektoren, Träger für Solarzellen, Infrarotoptik
Indium	Hauptproduzent China; Nebenprodukt der Zinkproduktion; kaum ersetzbar; kein Recycling	Indiumzinnoxid in LCD Bildschirmen, organischen Leuchtdioden, Touchscreens, Dünnschicht-Solarzellen, verschiedene Verbindungshalbleiter als Leuchtdioden, Fotodioden, Laserdioden
Magnesit	Hauptproduzent China; schlecht ersetzbar; kein Recycling	feuerfeste Baumaterialien, Ziegel und Isolierstoffe
Magnesium	Hauptproduzent China; schlecht ersetzbar; niedrige Recyclingrate	Leichtlegierungen für Flugzeuge und Kfz, Reduktionsmittel zur Metallherstellung,
Natürlicher Graphit	Hauptproduzenten China und Indien; schlecht ersetzbar; kein Recycling	Graphitelektroden (Stahlgewinnung, Kohlebürsten in Elektromotoren, in Primärzellen, u.a.) Moderator in Kernreaktoren, Schmierstoff
Niob	Hauptproduzent Brasilien; schlecht ersetzbar; niedrige Recyclingrate	Sonderstähle und Superlegierungen, supraleitende Magneten, Nukleartechnik
Phosphatgestein (Phosphorit)	Hauptproduzenten China, USA, Marokko; nicht ersetzbar; kein Recycling	Düngemittel, Pflanzenschutzmittel, Flammschutzmittel, Weichmacher,
Platinmetalle	Hauptproduzenten Südafrika, Russland; kaum ersetzbar; Recyclingrate ein Drittel	industrielle Katalysatoren, Abgaskatalysatoren in Kfz, Elektronik, Thermoelemente, Widerstandsthermometer, Schmuck, Zahnersatz
leichte und schwere Seltene Erden	Hauptproduzent China; schlecht ersetzbar; kein Recycling	vielfältige High-Tech-Anwendungen, siehe Link
Silicium	Hauptproduzenten China, Brasilien, USA, Norwegen; kaum ersetzbar; kein Recycling	elektronische Bauelemente, Solarzellen
Wolfram	Hauptproduzent China; schlecht ersetzbar; Recyclingrate ein Drittel	Hartmetall, Werkzeuge, Turbinenschaufeln, Glühlampen

Quellen für die Angaben in der Tabelle:

• ausführliche Liste der kritischen Rohstoffe auf den Webseiten der EU,
• F. Melcher, H. Wilken: Die Verfügbarkeit von Hochtechnologie-Rohstoffen, Chemie in unserer Zeit 47 (2013) 32-49 
• und zusätzliche Angaben zur Verwendung der Rohstoffe aus Lehrbüchern der Anorganischen Chemie 

Weitere Links zum Thema:

• „Engpässe bei Hightech-Metallen“ von U. Bilow und A. Reller, Nachrichten aus der Chemie 57 (2009) 647-651.
• „Die Seltenheit der Selten-Erd-Exporte“ von K. Wildemann, Nachrichten aus der Chemie 59 (2011) 142-144.
• „Seltene Erden aus Leuchtstoffrückständen“ von T. Lorenz, P. Fröhlich, M. Bertau, Nachrichten aus der Chemie 63 (2015) 984-986.

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Zur Illustration hier noch zwei Videos: Das erste behandelt sehr plakativ und einprägsam die Notwendigkeit zur Substitution kritischer Rohstoffe. Das Video stammt vom European Chemical Industry Council und wurde für das CRM_InnoNet Projekt angefertigt.






Wer es genauer wissen will, schaut sich das zweite Video an. Es stammt von der Pressekonferenz zur Generalversammlung der Europäischen Geoscience Vereinigung 2011. Der Titel des Videos lautet: 
"EGU2011: What can we do about Europe's raw materials crisis?"

Science Videos

Videos über Wissenschaft

Es ist nicht so einfach ein gutes Video über ein wissenschaftlichers Thema zu drehen. Meiner Meinung nach ist es nicht sinnvoll, einfach eine Vorlesung abzufilmen und in das Netz zu stellen wie in diesem Beispiel.

Von dem gleichen Hauptdarsteller gibt es noch verschiedene Vorlesungen in Englisch. Die unvollkommen beherrschte Fremdsprache trägt nicht gerade zur Attraktivität der Videos bei, deshalb an dieser Stelle lieber kein Link. Wozu sollte man eigentlich Vorlesungen überhaupt in das Internet stellen? Damit die Studenten sich nach durchzechter Nacht nicht zu Vorlesung quälen müssen? Damit sie auf keinen Fall ein Lehrbuch benutzen müssen? Wir sollten es unseren Studenten nicht ZU einfach machen. Klar dann können sie die Vorlesungsvideos nebenbei laufen lassen, während sie WoW oder den neuesten Teil der GTA-Reihe durchspielen. Vielleicht bleibt ja was hängen...

Ein weiteres Beispiel für einen - na ja - nicht so gelungene Film ist der nachfolgende Streifen "Silane Explosions". Hier kommen alle Zutaten für einen schlechten Wissenschaftsfilm zusammen: Ein nicht näher erklärtes Experiment, schlechte Auflösung, verwackelte Kamera, schlechter Ton.

Den Tiefpunkt erreichen wir mit einem Clip unter dem Titel "Liquid Nitrogen Bomb". Explosionen mit flüssigem Stickstoff scheinen sehr beliebte Experimente zu sein, jedenfalls gibt es dazu viele Beispiele auf YouTube. In dem hier vorgestellten Video verzichten die Akteure auf Erklärungen sowie Schutzmaßnahmen. Der Spass steht im Vordergrund und wird sicher erfolgreich zu entsprechenden Verletzungen führen. NICHT NACHMACHEN!!!

Was braucht man für ein erfolgreiches Wissenschaftsvideo im Internet? Ich denke an erster Stelle steht eine gute Idee. Aus dieser kann ein Konzept oder sogar ein Drehbuch entwickelt werden. Dieses sollte eine gute Story enthalten und interessante Motive liefern. Weiterhin wird ein geeigneter Drehort gebraucht. Im schlecht beleuchteten Hörsaal oder im verdreckten Labor zu drehen ist sicher einfach, aber für die Zuschauer eher abschreckend. Außerdem braucht man einen guten Hauptdarsteller, der gut verständlich spricht und auch ein wenig Spass an der Show hat. Im nachfolgenden Videoclip wird einfach nur eine Experimentalvorlesung gezeigt. Der Hauptdarsteller ist ein älterer Professor. Dieser trägt die Veranstaltung, spricht gut verständlich und erklärt sehr gut. Aber achten Sie mal auf den Assistenten im Hintergrund, der die gefährlichen Experimente ausführt. Der hat richtig Spaß an seinem Job! Dieser Clip ist mit zwei Kameras aus verschiedenen Perspektiven professionell gefilmt. Die Beleuchtung stimmt, die Experimente klappen hervorragend, die Story ist klar zu erkennen: Es werden jeweils Unfälle aus Zeitungsmeldungen gezeigt, dann das entsprechende Experiment durchgeführt und die Hintergründe erklärt. Hier passt alles zusammen. Ein sehr schönes Video.

Im Internet gibt es an zahlreichen Stellen erste Hilfestellung für angehende Filmproduzenten. Hier einige mögliche erste Anlaufpunkte:

• Video vorbereiten und drehen auf lernscouts.de
• Wie man einen Film vorbereitet (Planung und Vorbereitung, Recherche, Konzept, Drehbuch, Drehplan)
• Wie man mit Bildern erzählt (Einstellungsgrößen und Orientierung, Bildaufbau, Der goldene Schnitt, Kameraführung und Kamerabewegung, Kamerafahrt, Für den Schnitt drehen)
• Was man vor der Aufnahme beachten sollte (Weißabgleich, Licht und Beleuchtung, Umgang mit dem Autofokus, Ton)
  

• Die sechs Phasen der typischen Filmproduktion bei paradisi.de ( Drehbuch, Filmfinanzierung, Vorproduktion, Dreharbeiten, Postproduktion, Filmverwertung )

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Zum Abschluß noch einige Beispiele für gelungene Wissenschaftsvideos

Bill Hammack von der University of Illinois - Urbana hat eine ganze Reihe von Videos online gestellt. Es geht hauptsächlich um ingenieurwissenschaftliche Themen. In vielen seiner Videos kommt am Schluß ein überaschender Anruf auf seinem roten Telefon. Dadurch erhalten diese Videos eine humorvolle Wendung. Das ist schwer zu beschreiben, sehen Sie am besten selbst:

Andrea Sella vom University College London dreht Videos für die  Royal Institution of Great Britain und die Wellcome Collection. In jedem Video erklärt er mit einfachen Worten und sorgfältig ausgewählten Experimenten Sachverhalte aus der Chemie. Eines dieser Videos bietet bei weitem nicht so viel Stoff wie eine ganze  Vorlesung, dafür versteht man die Zusammenhänge. Außerdem bleiben die Beispiele und Experimente im Gedächtnis haften, eben weil es nicht zu viel auf einmal ist.

Natural Resources

Rohstoffe, Ressourcen und kein Ende

Vielfältige Aktivitäten in Deutschland kreisen um die Beschaffung, Gewinnung und das Recycling von Rohstoffen und natürlichen Ressourcen. So gibt es dazu mehrere Initiativen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung:

• Forschungs- und Entwicklungsprogramm "Wirtschaftsstrategische Rohstoffe für den Hightech-Standort Deutschland"
• Broschüre des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit dem Titel "Wirtschaftsstrategische Rohstoffe für den Hightech-Standort Deutschland - Forschungs- und Entwicklungsprogramm des BMBF für neue Rohstofftechnologien"
• r³ - Strategische Metalle und Mineralien, Innovative Technologien für Ressourceneffizienz, Broschüre des BMBF, September 2013
• Bekanntmachung: "r4 - Innovative Technologien für Ressourceneffizienz - Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe"

Aber auch andere Behörden und Forschungszentren in Deutschland sind auf diesem Gebiet aktiv:

• Webseite des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie zum Thema Rohstoffe und Ressourcen.
• Webseite des Umweltbundesamtes mit dem Titel "Rohstoffe als Ressource"
• Studie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) 2013: "Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen"
• "Wertvolle Erde - Der Schatz im Untergrund"  Webseite des Koordinierungsbüros GEOTECHNOLOGIEN am Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum

Auf Arte läuft gerade wieder die Dokumentation "Seltene Erden - Die dunkle Seite der Hightech-Metalle" und auf eine speziellen Themenseite dieses Senders wird gefragt ob

seltene Erden ersetzbar sind?

Auch Literatur zum Thema ist verfügbar. Dabei ist das Angebot recht weit gefächert und reicht von eher populärwissenschaftlichen Titeln wie "Bodenschätze: Die Jagd nach Seltenen Erden und anderen Rohstoffen" und "Deutschlands verborgene Rohstoffe: Kupfer, Gold und Seltene Erden über Tipps für den interessierten Anleger in "Mehr Geld verdienen mit Rohstoffen"  bis zu wissenschaftlichen Monographien und Sammelwerken wie "Energie und Rohstoffe: Gestaltung unserer nachhaltigen Zukunft und "Strategische Rohstoffe - Risikovorsorge.

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Aber ist dieser Hype wirklich berechtigt?

In folgendem Video gibt Prof. Steve Horwitz eine einfache und einleuchtende Erklärung auf die Frage, ob unsere natürlichen Ressourcen bald zu Ende gehen werden (Youtube: "Are We Running Out of Resources?").
Steve Horwitz befasst sich mit der weit verbreiteten Meinung, dass bald bestimmte natürliche Ressourcen zu Ende gehen werden. Es gibt jedoch handfeste ökonomische Gründe, warum die natürlichen Ressourcen nicht aufgebraucht werden. In der freien Marktwirtschaft ist der Preis ein Maß für die Seltenheit einer Ware. Je knapper eine Ressource wird, desto teurer wird sie. Das ist ein starker Anreiz dafür, dass weniger von dieser Ressource benutzt wird und stattdessen nach Alternativen gesucht wird, die vorher unbekannt oder nicht lohnenswert waren. In der Technikgeschichte gibt es zahlreiche Beispiele, dass der menschliche Erfindungsgeist gepaart mit einem flexiblen ökonomischen System unbegrenzte Möglichkeiten eröffnet, um Beschränkungen in der Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen zu überwinden. 

Lanthanide and Actinide Chemistry

Bücher über Seltene Erden

Seltene Erden rückten in den letzten Jahren vielerorts in den Mittelpunkt des Interesses. Auch in diesem Blog erschienen mehrer Artikel unter dem Label "Seltene Erden". Auch die wissenschaftlichen Verlage verfolgen aktuelle Entwicklungen und partizipieren mit mehr oder weniger guten Büchern. Hier ein paar Literaturhinweise auf aktuelle Veröffentlichungen.

Es geht los mit einer Warnung:  Der Titel "Chemie Der Seltenen Erden" von O. Korn und J. Herzfeld erschien im Januar 2013 im Verlag Let Me Print. Der Titel fokussiert sich ja genau auf das Thema, das könnte vielleicht interessant sein. Allerdings sollte man beachten, dass es sich um den Nachdruck der Originalausgabe aus dem Jahr 1901 handelt! Es ist also der Reprint eines uralten Buches. Seriös, sicher, aber wohl nicht mehr ganz auf dem neuesten Stand.

Wer wirklich etwas über Lanthanoiden- und Actionidenchemie lernen sollte, möchte dann vielleicht doch lieber zu einem aktuelleren Werk greifen. Da empfehle ich eher folgenden Titel: "Lanthanide and Actinide Chemistry" von S. Cotton, Wiley 2006.

Deutlich tiefer in das genannte Themengebiet führt folgender Titel: "The Rare Earth Elements: Fundamentals and Applications" (Herausgeber: David A. Atwood). Der Band wurde aus Beiträgen in der Encyclopedia of Inorganic und Bioniorganic Chemistry zusammengestellt. Er enthält wirklich kurze und gute Artikel zu allen relevanten Themen auf diesem Gebiet seien es nun molekulare magnetische Materialien, Supraleiter, Metal-Organic-Frameworks, Lanthanid-Shift-Reagenzien oder Lumineszenzeigenschaften mit Hinweisen auf die entsprechenden Anwendungen.

What are strategic metals?

Was sind überhaupt "strategische Metalle"?

Im Eintrag vom 06.03.13 (Auf der Jagd nach den Ressourcen) hatte ich ja bereits den Begriff "strategische Metalle" erwähnt. Heute etwas mehr dazu. Focus Online liefert uns eine kurz und knappe Aufzählung, was strategische Minerale und Metalle sind ("Rohstoffknappheit - 14 kritische Metalle" vom 18.06.10):

Zitat Anfang

• Antimon (zum Beispiel für Mikrokondensatoren)
• Beryllium
• Kobalt (zum Beispiel für Lithium-Ionen-Batterien und synthetische Treibstoffe)
• Flussspat
• Gallium (etwa für Dünnschichtphotovoltaikmodule und weiße Leuchtdioden)
• Germanium (für Glasfaserkabel und Infrarotoptik)
• Graphit
• Indium (für Bildschirme und Dünnschichtphotovoltaikmodule)
• Magnesium
• Niob (für Mikrokondensatoren und Eisenlegierungen)
• Metalle der Platingruppe (für Brennstoffzellen, Katalysatoren und Meerwasserentsalzung)
• seltene Erden (für Dauermagnete und Lasertechnologie)
• Tantal (für Mikrokondensatoren und medizinische Technologien)
• Wolfram.

Zitat Ende

Deutlich differenzierter und ausführlicher ist eine Broschüre vom Umweltbundesamt: "Maßnahmen und Konzepte zur Lösung des Problems konfliktverschärfender Rohstoffausbeutung am Beispiel Coltan" von 2007) Dort fragt man sich zunächst was überhaupt seltene Metalle sind. Die Nutzung von Metallen wird beispielhaft für die Informations- und Kommunikationstechnik-Industrie besprochen. Anschließend werden drei verschiedene Definitionen für seltene Metalle angeboten:

 Zitat Anfang

• Definition 1: Seltene Metalle sind Metalle mit hohen oder sehr stark gestiegenen Preisen
• Definition 2: Seltene Metalle sind Metalle mit geringer Reichweite der Reserven
• Definition 3: Seltene Metalle sind Metalle, die nur in wenigen Ländern abgebaut werden

Zitat Ende

Als Fazit für die Definition 1 wird festgestellt, dass die Preise von Metallen über lange Zeiträume sehr stark schwanken und kein hinreichendes Kriterium zur Bestimmung der Seltenheit eines Metalls ist (Seite 13).

Bei der Definition 2 wurden alle Metalle untersucht, deren Reichweiten geringer als 50 Jahre sind. Nach diesem Kriterium sind die Metalle Indium, Strontium, Silber, Antimon, Gold, Blei, Zink und Tantal als seltene Metalle zu betrachten, da die Reserven weniger als 25 Jahre reichen dürften. Es widr aber angemerkt, dass für eine Reihe von Metallen keine Daten für Reservenschätzungen vorliegen (Seite 15).

Anhand der Definition 3 wird die Ressourcenpolitik unter einer volkswirtschaftlichen Perspektive diskutiert (Seite 15ff). Als Kriterien zur Risikobewertung werden folgende Punkte genannt: Konzentration der Vorräte, Konzentration der Exporte und Konzentration der Produktion. Anhand dieser Kriterien werden dann mögliche Probleme bei der Beschaffung der seltenen Metalle diskutiert und mögliche strategische Metalle genannt (Seite 17). So gibt es z.B. bei Wolfram und seltenen Erden nur größere Reserven in China. Weiter heisst es "Niob wurde zum Zeitpunkt der Studie zu gut drei Vierteln von einem einzigen brasilianischen Unternehmen gewonnen. Auch hier liegen der größte Teil der bekannten Reserven in Brasilien."

In der zusammenfassenden Betrachtung dieser drei Definitionen (Seite 19-20) werden dann folgende Elemente als "seltene Metalle" identifiziert:

• Antimon und Indium (mit der höchsten Bewertung)
• Cobalt, Gold, Iridium, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Ruthenium, Zink und Zinn. 

Außerdem wird darauf hingewiesen, "dass einige Metalle nicht als Rohstoffe abgebaut, sondern als Beiprodukt gewonnen werden" (Seite 20-21). Das betrifft die Elemente Indium, Gallium und Germanium.  "Hierbei kann eine Schließung von Erzminen dazu führen, dass bei diesen Metallen Verknappungen auftreten."

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Abschließend noch ein paar Links für den interessierten Leser:

• Was sind strategische Metalle? wird auf der Webseite HardAsset Investor in Englisch erklärt
• Seltene Erden und High-Tech Metalle, eine Einführung - auf der Seite www.privatconsult.com
• Das Öl der Zukunft: Seltene Erden ist der etwas unglückliche Titel auf der Startseite von www.selteneerden.de
• T. M. Letcher, J. L. Scott: Materials for a Sustainable Future, RSC Publishing, Cambridge 2012. In dieser ausführlichen Monographie werden Aspekte der Nachhaltigkeit und künftigen Verfügbarkeit der verschiedensten Rohstoffe diskutiert, u.a. Metalle, Seltene Erden, Phosphor, Uran.  

Nachtrag Januar 2014:

•  Einen guten Übersichtsartikel über "strategische Metalle" findet man in der Chemie in unserer Zeit, Band 47 (2013) Seite 32-49. Der Artikel heisst: "Die Verfügbarkeit von Hochtechnologie-Rohstoffen". 
• In ähnliche Richtung geht ein Artikel in den Berg- und Hüttenmännischen Monatsheften, Vol. 158, 2013, Seite 70-77. "Wirtschaftsstrategische Rohstoffe für die Hochtechnologie in Europa"

Strategic Metals and Ressources

Auf der Jagd nach den "Ressourcen"

Allenthalben begibt man sich zur Zeit auf die Suche nach ganz bestimmten Rohstoffen. Seit der Verknappung der Seltenen Erden aufgrund von Exportbeschränkungen in China gibt es ein verstärktes Interesse daran bestimmte "strategische Rohstoffe" nach Möglichkeit aus einheimischen Ressourcen zu gewinnen. Hinzu kommt das Problem der konfliktverschärfenden Rohstoffausbeutung in Afrika (siehe Broschüre vom Umweltbundesamt: "Maßnahmen und Konzepte zur Lösung des Problems konfliktverschärfender Rohstoffausbeutung am Beispiel Coltan" von 2007). Schließlich will sich kein westliches Industrieland vorwerfen lassen mit seinem Rohstoffhunger Bürgerkriege und Sklavenarbeit in Afrika zu befeuern. In dem nachfolgenden Video erklärt Professor Bill Hammack wie unsere High-Tech-Elektronik von Tantal abhängt. Dieses wird aus dem Erz Coltan gewonnen.

Quelle des Videos: Youtube

Der erste Ansatzpunkt seltene Rohstoffe im eigenen Land zu gewinnen, sind Verfahren zum Recycling von Metallen aus High-Tech-Geräten. Das Umwelbundesamt weist in seiner Presseerklärung unter der Überschrift "Deutsche verbrauchen zu viele Hi-Tech-Metalle" ausdrücklich auf dieses ungenutzte Rohstoffpotenzial hin und veranstaltete im November 2012 das europäische und nationale Ressourceneffizienz-Forum in Berlin. Die TU Bergakademie Freiberg hat sich den Namenszusatz "Die Ressourcenuniversität. Seit 1765." gegeben und deutet damit das geschärfte Forschungsprofil dieser Einrichtung an .

Die zweite Möglichkeit ist die erneute Suche nach Rohstoffen im eigenen Land, z.B. im Erzgebirge oder anderen Gegenden in denen früher bereits Erze abgebaut wurden. Kürzlich wurde darüber berichtet, dass tonnenweise Seltene Erden in Sachsen gefördert werden könnten ("Seltene Erden: Gutachten bestätigt Vorkommen in Sachsen" - Spiegel Online 31.01.13, "Tonnenweise Seltene Erden in Sachsen gefunden"-Wirtschaftswoche vom 02.02.13,  "Das Wunder von Storkwitz" - Bild-Zeitung vom 27.02.13). Ob sich das finanziell lohnt ist dabei eine andere Frage.

Auch die alten Abraum- und Schlackehalden geraten auf der Suche nach Rohstoffen in das Visier der "Schatzjäger" ("Bergbauhalden ins Visier genommen"-Wochenspiegel 18.02.13, "Freiberger Forscher erkunden Wertstoffe in alten Bergbauhalden" - Pressemitteilung der TU Bergakademie Freiberg vom 11.02.13). Dabei ist natürlich zu bedenken, dass die alten Erzvorkommen weitgehend ausgebeutet sein dürften und die geringen noch vorhandenen Erzgehalte nur mit einer sehr erffektiven preiswerten Technologie abbauwürdig wären. Oder man wartet, ob die Preise noch weiter steigen.

Bei der Suche nach Rohstoffen sind der Phantasie  aber keine Grenzen gesetzt, völlig neue und unerwartete Quellen werden erkundet. So versucht man z.B.: hochreines Silicium aus Reisschalen zu gewinnen oder Germanium in Pflanzen anzureichern und daraus zu extrahieren (Projekt PhytoGerm). Auch die Bild-Zeitung war dankbar für diese Idee und erklärte uns in einem Artikel vom 05.02.13 worum es geht: "Phytomining, zu deutsch 'Bergbau durch Pflanzen' ". 

Eine große potenzielle Rohstoffquelle spielte erstaunlicherweise noch keine Rolle in der aktuellen Diskussion: das Wasser der Weltmeere. "Schätzungsweise 6,5 Milliarden Tonnen Kupfer, 0,5 Milliarden Tonnen Uran und 70 Millionen Tonnen Gold birgt diese natürliche Rohstoffquelle für seltene Elemente, die bisher nicht erschlossen werden konnte." (Quelle: Die Zeit, 20.3.1964) Aber nicht erst 1964 kam man auf die Idee, die gewaltigen Mengen gelöster Elemente aus dem Meerwasser zu gewinnen, sondern bereit kurz nach dem 1. Weltkrieg gab es sehr umfangreiche Untersuchungen dazu. In Folge des Friedensvertrags von Versailles musste das Deutsche Reich große Mengen Gold als Reparation aufbringen. Der Chemiker und deutsche Patriot Fritz Haber (siehe Foto) suchte eine Lösung für die erdrückenden Reparationsforderungen und unternahm 1923 eine Expeditionsfahrt über den Atlantik, um den Goldgehalt des Meerwassers genau zu erkunden. Die Analyseverfahren zur Bestimmung des Goldgehaltes wurden während des Projektes immer weiter verbessert und verfeinert, allerdings waren die Ergebnisse ernüchternd: Das Meerwasser enthält durchschnittlich 0,0044 Milligramm Gold. 1926 beendete Haber die Arbeiten an diesem Projekt. Die ganze Story findet  man in dem Buch  "Gold aus dem Meer" von Ralf Hahn (GNT-Verlag); siehe auch Die Zeit vom 28.08.11 oder "Gold aus dem Meer" auf www.goldseiten.de.
Bis heute gibt es kein Verfahren zur wirtschafltichen Gewinnung von Gold oder anderen Metallen aus Meerwasser.

(Quelle der Abbildung: Wikimedia Commons)

Fritz Haber: Erfinder der industriellen Ammoniaksynthese, Nobelpreisträger und erfolgloser Goldsucher.

Weitere Informationen über Fritz Haber und die erfolglose Goldsuche findet man in folgendem Buch: "Hundert Jahre an der Schnittstelle von Chemie und Physik: Das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft zwischen 1911 und 2011".

Seltene Erden - Links und Artikel aus dem Internet

• Seltene Erden sind gar nicht so selten und der Hype darum wird übertrieben - bei Blick Log
• Die Seltenen Erden und wo man sie findet - bei Fischblog
• Seltene Erden - Von der Lagerstätte bis zur Verwendung - umfangreiches PDF-Dokument von der Uni Karlsruhe
• Seltene Erden – die chinesische Sichtweise - Diskussion der wirtschaftlichen Aspekte bei Boerse-go
• Deutsche Rohstoff AG: Einziges Seltene Erden-Vorkommen in Westeuropa

Seltene Erden - Anwendungen

Magnete
Neodym hat 4 ungepaarte Elektronen in der 4f-Schale. Das klingt erst einmal nicht allzu spektakulär. Trotzdem kann man aus Neodym, die stärksten Dauermagnete bauen. Es gibt winzige Magnete aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung der Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B, die genauso stark sind wie ein großer Dauermagnet aus Eisen. Neodymmagnete werden häufig dort eingesetzt, wo man sehr starke Dauermagnete auf kleinem Raum benötigt. Bei höheren Temperaturen sind allerdings Cobalt-Samarium-Magnete die bessere Wahl (siehe Abschnitt über Lautsprecher).
Holmium besitzt das höchste magnetische Moment eines natürlich vorkommenden chemischen Elements (10,6 μ_B).  Wegen seiner außergwöhnlichen magnetischen Eigenschaften verwendet man Holmium in Polschuhen von Hochleistungsmagneten zur Erzeugung stärkster Magnetfelder.

Lautsprecher
Cobalt-Samarium-Magnete sind hervorragende Dauermagnete, die nur schwer durch äußere Felder zu entmagnetisiert werden können. Für hochwertige Lautsprecher verwendet man daher häufig solche Magnete.

Eine besondere Art von Lautsprechern kann man mit Hilfe von Terfenol-D bauen. Diese Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen ändert in ihrem Magnetfeld ihre Größe. Terfenol-D hat die höchste Magnetostriction aller bekannten Legierungen, es dehnt sich also aus und zieht sich zusammen, je nach angelegtem Magnetfeld. Ursprünglich wurde diese Legierung in den 1970er Jahren im Naval Ordnance Laboratory in den U.S.A. für Hochleistungssonargeräte entwickelt. Man kann mit Hilfe dieser Technologie auch "Soundbugs" konstruieren. Mit einem solchen Gerät kann man nahezu jede glatte Oberfläche die in der Lage ist zu schwingen, z.B. eine Fensterscheibe, in einen Lautsprecher verwandeln. Stellen Sie sich eine Horde von Jungendlichen vor, die in die S-Bahn oder den Nahverkehrszug stürzen, ein Handy-großes Gerät (ihren "Soundbug") aus der Tasche ziehen und dieses mit einem Gummisauger an der Fensterscheibe des Zuges befestigen. Sobald der MP3-Player eingestöpselt ist wird das ganze Abteil mit glasklarem Sound beglückt. Eine Horrorvorstellung, die bestimmt bald eintritt. Es gibt tatsächlich bereits kommerzielle Anwendungen für diese Technologie von der Firma FeONIC, z.B. die "flüsternde Schaufensterscheibe" ("Whispering Window"). 


Laser
Einkristalle von Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) werden künstlich hergestellt und bilden das Herzstück vieler Laser. Diese Einkristalle werden mit anderen Seltenerdelementen dotiert, z.B. mit Neodym. Der entsprechende Laser wird dan häufig als "Neodym-YAG-Laser" bezeichnet.

Für die Herstellung von Feststofflasern dotiert man Yttrium-Eisen-Granat (YIG), Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) und Yttrium-Lanthan-Fluorid (YFL) mit Holmium. Holmiumlaser emittieren bei 208 nm und sind daher ungefährlich für die Augen. Diese Laser werden in der Medizin, Zahnmedizin und in der Glasfaseroptik angewendet.


Farbbildschirme
Europiumdotiertes Yttriumoxid wirkt als roter Luminophor (Leuchtstoff) in Fernsehbildröhren.
Oxysulfide des Gadoliniums dienen zur Herstellung von grünen Leuchtstoffen für nachleuchtende Bildschirme z.B. bei Radarbildschirmen.

LED
Einige Lanthanoide werden als Leuchtstoffe zur Konversion der Primärstrahlung von LEDs eingesetzt. So verwendet man z.B. mit Cer aktivierte Yttrium- oder Terbium-Granate als gelben Leuchtstoff. Als grüner Leuchtstoff dient z.B. ein Europium-aktiviertes Calcium-Magnesium-Chlorosilikat. Mit Hilfe solcher Leuchtstoffe gelingt es, das grell weiße Licht der LEDs in angenehme warme Farbtöne umzuwandeln (siehe z.B. dieses Patent oder diese beiden Veröffentlichungen in Journal of the Electrochemical Society von 2009 und 2011).

Abgaskatalysator
Bei der Herstellung der Lambdasonde für den Abgaskatalysator wird dem Zirconiumoxid etwas Yttriumoxid zugesetzt, damit sich der keramische Formkörper nach der Herstellung nicht verformt. Außerdem bewirkt das Yttriumoxid, dass die Sonde  bei niedrigerer Betriebstemperaturarbeitet.

Legierungen mit besonderen Eigenschaften
Es gibt eine Legierung aus Ytterbium, Gallium und Germanium, die sich bei starker Erwärmung bis +130 °C oder Abkühlung auf -170 °C praktisch nicht ausdehnt oder zusammen zieht. Diese Legierung ist hoch interessant für Anwendungen in der Raumfahrt und Bauteile, die in dem genannten Temperaturbereich möglichst keine Veränderung ihrer Abmessungen erfahren dürfen.

Scandium zeigt in Legierungen mit Aluminium gefügestabilisierende und korngrößenfeinende Effekte. Solche Legierungen mit 0,1 bis 0,5% Scandium wurden beim Bau sowjetischer Militärflugzeuge (MIG-21 und MIG-29) verwendet. Auch Sportgeräte die höchsten Anforderungen hinsichtlich Leichtigkeit und Festigkeit genügen müssen, werden manchmal aus Scandium-Aluminium-Legierungen gefertigt, so z.B. Baseballschläger oder Fahrräder. Smith & Wesson produziert darüber hinaus Revolver mit einem Rahmen aus einer Scandiumlegierung. Titanlegierungen zeigen allerdings ähnliche Eigenschaften hinsichtlich Leichtigkeit und Festigkeit. Diese sind preiswerter als Legierungen mit Scandium und werden daher öfter verwendet.

Kerntechnik
Holmium absorbiert effektiv Neutronen aus Kenrspaltungsreaktionen und wird deshalb in Regelstäben von Kernreaktoren eingesetzt. Als Regelstäbe verwendet man außerdem Cermets aus Dysprosiumoxid-Nickel.

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Was ist besonders an den "Seltenen Erden"?

Zu den seltenen Erden zählt man die Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems und die Lanthanoide. Genauer gesagt handelt es sich dabei um die Oxide dieser Elemente. Der Begriff "Erde" ist ein altertümlicher Ausdruck für das Oxid eines Elementes.

Die Lanthanoide sind 14 Elemente desPeriodensystems, bei denen eine f-Schale mit Elektronen besetzt wird. Nicht jedes Element hat f-Elektronen, sondern nur besonders schwere Elemente im unteren Teil des Periodensystems. Es gibt noch eine Reihe von Elementen, bei denen f-Elektronen besetzt werden, das sind die Actinoide. Aber mit denen will kaum jemand was zu tun haben, weil sie entweder instabil sind und schnell zerfallen oder radioaktiv sind wie Uran oder Plutonium! Dagegen sind die Lanthanoide relativ harmlos, sie bilden ungiftige oder nur wenig giftige Verbindungen.

Die chemischen Eigenschaften der Lanthanoide unterscheiden sich nur wenig, da die 4f-Schale eigentlich eine innere Schale der Elektronenhülle ist. Weiter aussen befinden sich noch die 5s-, 5p- und die 6s-Schalen, die bereits mit Elektronen besetzt sind. Dadurch sind fast alle Lanthanoide dreiwertig und kommen in der Natur vergesellschaftet - eben in Form der "Seltenen Erden" vor.

Dafür bringt die Besetzung der f-Schale aber besondere Eigenschaften mit sich. Insgesamt passen 14 Elektronen in eine solche f-Schale. Es gibt dadurch zahlreiche Möglichkeiten ungepaarte Elektronen in dieser f-Schale zu haben. Deshalb gibt es bei den Lanthanoide mehrere Elemente mit hoch interessanten magnetischen Eigenschaften, z.B. Neodym oder Samarium. In der nachfolgenden Abbildung ist als Beispiel die Elektronenkonfiguration des Neodyms abgebildet. Außerdem eröffnen die teilweise besetzten f-Orbitale die Möglichkeit ungwöhnliche elektronische Zustände zu erreichen. Das klingt erst einmal abgefahren, wird aber zum Beispiel bei den Luminophoren (Leuchtstoffen) in Fernsehbildröhren, Leuchtstofflampen und Radarröhren genutzt. Anregung der Elemente führt hier zu Phosphoreszenz oder Fluoreszenz.

 

Abbildung: Schematische Darstellung der Elektronenkonfiguration des Neodyms. 

Seltene Erden

Zur Zeit wird in den Medien intensiv die Abhängigkeit der Industrie von Seltenen Erden aus China diskutiert, siehe z.B. FAZ.NET, Handelsblatt oder Tagesspiegel. Brennstoffzellen, Zündkerzen, Radargeräte, Computertomographen, hochwertige Gläser für Kameras, Teleskope oder Brillen, Katalysatoren, LCD-Bildschirme und Leuchtdioden, überall braucht man diese Elemente. Meist sind es nur kleine Mengen, die als Aktivator, Phosphoreszenzfarbstoff, Katalysator oder sonst ein unscheinbarer Bestandteil wirken, aber ohne diese Elemente funktioniert der High-Tech-Apparat nicht. In der nachfolgenden Tabelle werden einige Verwendungsmöglichkeiten für Elemente der "Seltenen Erden" aufgeführt.

Name	Symbol	Anwendung
Scandium	Sc	in Hochleistungs-Hochdrucklampen; Laserkristalle; magnetische Datenspeicher (z.B. Festplatten); das Leichtmetall mit hohem Schmelzpunkt wird für bestimmte Spezialanwendungen benutzt (Raumfahrt, Fahrradrahmen, Golfschläger usw.)
Yttrium	Y	Luminophore (Leuchtstoffe) in Fernsehbildröhren, Leuchtstofflampen und Radarröhren (europiumdotiertes Yttriumoxid erzeugt in Farbbildschirmen die rote Farbe); Lambdasonden (Abgaskatalysator); Supraleiter; Laserkristalle; Elektrolyt in Brennstoffzellen; Frequenzsteuerung in Schwingkreisen mit Yttrium-Eisen-Granat (YIG) und Yttrium-Aluminium-Granat (YAG); Neodym-YAG-Laser
Lanthan	La	in Nickel-Metall-Hydrid-Akkus; Katalysatoren zum Cracken von Erdölfraktionen; hochwertige Gläser mit hohem Brechungsindex z. B. für Kameralinsen
Cer	Ce	in Nickel-Metall-Hydrid-Akkus; in LCD-Bildschirmen; in "Feuersteinen" von Feuerzeugen; als Oxid in selbst­reinigenden Öfen; Katalysator zum Cracken von Erdölfraktionen; UV-Licht absorbierendes Glas
Praseodym	Pr	hochfeste Legierungen z.B. für Flugzeugmotoren, Dauermagnete, Färben von Glas und Emaille, in gelb gefärbten Gläsern, z. B. in Schweißerschutzbrillen
Neodym	Nd	Hochleistungsmagnete (z.B. aus Neodym-Eisen-Bor-Legierungen); zum Färben von Emaille, Blaue Porzellanfarbe, Neodym-YAG-Laser, in Elektromotoren und Hybridantrieben, ebenfalls Bestandteil von Schweißerschutzbrillengläsern und Sonnenschutzglas, in Feststofflasern an Stelle von Rubinen; Neodymhaltiges Glas zum Herausfiltern von gelbem Natriumlicht, z.B. in astronomischen Fernrohren
Promethium	Pm	Wärmequelle in unbemannten Satelliten und Welt­raum­sonden
Samarium	Sm	Anwendung als Permanentmagnet (Cobalt-Samarium-Magnete), z.B. in Kopfhörern; Samariumoxid für IR-undurchlässige Gläser; Phosphat-Komplexe des Samariums-153 zur Behandlung von Knochenmetastasen verschiedene Krebsarten (die Verbindung setzt sich im Knochengewebe fest und wirkt aufgrund der beta-Strahlung des Samariumisotops)
Europium	Eu	in LCD-Bildschirmen, als Aktivator der roten Leuchtstoffe in Fernsehröhren, in Leuchtstoffen zur Konversion der Primärstrahlung von LEDs, als Neutronenabsorber in Kernreaktoren
Gadolinium	Gd	in Fernsehröhren als Aktivator der grünen Leuchtstoffe; Kontrastmittel in der Kenrspintomographie; Krebstheraphie; Vertärkerfolien aus Gadoliniumoxisulfid in Röntgengeräten, die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandeln; magnetooptische Disketten zur Langzeitarchivierung von Daten
Terbium	Tb	Verwendung in Halbleitern (solid-state devices), zur Gefügestabilisierung in Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Lasermaterial; terbiumdotiertes Yttriumphosphat als grüner Leuchtsoff in Fernsehröhren; zur Konstruktion von Soundbugs und Hochleistungs-Sonargeräten aus Terfenol-D (Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen)
Dysprosium	Dy	Neutronenabsorber in Kernreaktoren; zur Konstruktion von Soundbugs und Hochleistungs-Sonargeräten aus Terfenol-D (Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen)
Holmium	Ho	in Legierungen, macht Stahl leichter verarbeitbar; das Licht von Holmium-Lasern wird von Wasser sehr gut absorbiert, daher z.B. Anwendung in der Urologie zum zertrümmern von Harnsteinen oder Prostataoperationen
Erbium	Er	in fotografischen Filtern
Thulium	Tm	Neutronenabsorber in Kernreaktoren
Ytterbium	Yb	erzeugt Röntgenstrahlen ohne Elektrizität, z.B. in tragbaren Röntgenapparaten.
Lutetium	Lu	Katalysator beim Cracken von Erdölfraktionen und Polymerisationen

Die Angaben in der Tabelle sind teilweise aus dem Buch "Anorganische Chemie für Dummies" entnommen. Wer mehr über diese Elemente und die Chemie drumherum erfahren will, schaut in dieses Buch.

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Nachtrag März 2016:

Sehr schön zusammengefasst, kurz und kompakt erfährt man alles Wichtige über die Seltenerdelemente aus dem neu erschienen Titel "The Rare Earth Elements: An Introduction" von J. H. L. Voncken.