Werkstoffe Was sind Seltene Erden?

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„Seltene Erden“ – dieser Begriff taucht derzeit fast täglich in den Nachrichten auf. Doch weder geht es hier um Erden, noch sind diese selten. Also: Was genau sind seltene Erden? Welche gibt es und warum sind sie so begehrt?

Seltene Erden sind eine Gruppe aus 17 chemischen Elementen, darunter die Elemente Scandium und Yttrium sowie die im chemischen Periodensystem zu den sogenannten Lanthanoiden (15 Elemente von Lanthan bis Lutetium) gehörenden Elementen. Die chemischen Elemente alle „en detail“ zu beschreiben, würde allerdings den Rahmen dieses Beitrags sprengen und vermutlich mindestens einen Grundkurs in Chemie voraussetzen. Daher werden die Elemente im weiteren Verlauf nur im Hinblick auf die Einsatzgebiete genannt, ohne auf deren besonderen Eigenschaften einzugehen. Mehr zu den einzelnen Elementen und deren Einteilung weiter unten.

Welche Rolle spielen Seltene Erden für moderne Technologien?

Seltene Erden spielen eine zentrale und derzeit noch unverzichtbare Rolle in einer ganzen Reihe an Technologien. Darüber hinaus sind sie eine wichtige strategische Ressource, da durch die Abhängigkeit von den Förderländern Seltene Erden zu einem geopolitisch sensiblen Rohstoff werden.

In diesen Bereichen sind Seltene Erden unverzichtbar:

• In der Elektronik werden Seltene Erden für die Produktion von Smartphones, Tablets, Computern und Festplatten benötigt. Durch sie werden gleichsam kompakte wie leistungsstarke Bauteile erst möglich. Ein Beispiel ist etwa die Herstellung von starken Dauermagneten aus Neodym, die in Lautsprechern, Vibrationsmotoren und Festplatten zu finden sind.

• Die Elemente wie Neodym, Praseodym und Dysprosium (siehe unten) sorgen zudem für besonders starke und effiziente Magnete in Windkraftanlagen und Elektromotoren von Elektrofahrzeugen.

• Durch Elemente wie Europium und Terbium wird die Farbwiedergabe von Bildschirmen und LED-Leuchtmitteln verbessert. Auch hier gäbe es ohne Seltene Erden keine energieeffizienten Lampen oder Displays.

• Natürlich kommt auch der gesamte Bereich der Batterietechnik nicht ohne Seltene Erden aus. So wird das Element Lanthan in Nickel-Metallhybrid-Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge eingesetzt. Und in der Medizintechnik wird Gadolinium als Kontrastmittel für Untersuchungen mit einem MRT benötigt.

• Für leichte wie stabile Legierungen ist Scandium in der Luft- und Raumfahrt die erste Wahl.

• Schließlich ist da u.a. noch das Element Cerium für Fahrzeug-Katalysatoren und als Poliermittel für Glas sowie Optiken.

Seltene Erden sind somit bedeutende Bausteine, ohne die es wegweisende Fortschritte z. B. in der Digitalisierung, im Bereich der erneuerbaren Energien und natürlich auch in der Elektromobilität nicht gäbe. [ 2 ]

Woher kommt der Begriff „Erden“?

Der Begriff kommt aus der Zeit ihrer Entdeckung. Die Elemente wurden zuerst in seltenen Mineralien wie Cerit oder Gadolinit gefunden und aus deren Oxiden (eine chemische Verbindung aus Sauerstoff und weiteren Elementen) isoliert, die man seinerzeit als „Erden“ bezeichnete. Tatsächlich handelt es sich um Metalle und nicht um „Erden“ im heutigen Sinne. Die Elemente wurden übrigens von mehreren Personen parallel gefunden, sodass es nicht „den Entdecker“ gibt. [ 3 ]

Warum sind Seltene Erden nicht selten?

Seltene Erden kommen in der Erdkruste relativ häufig vor. Das Attribut „selten“ bezieht sich auf die Lagerstätten, deren wirtschaftlicher Abbau meist sehr schwierig oder gar nicht möglich ist, sodass die Elemente aus dieser Sicht tatsächlich selten sind. Hinzu kommt: Die meisten Elemente für Seltene Erden sind weltweit in einer Vielzahl an Mineralien enthalten, allerdings nur in sehr geringen Konzentrationen und rund um den Globus weit verstreut. Es gibt daher nur wenige Orte, an denen sich der Abbau von Seltenen Erden wirklich lohnt, da sie dort in ausreichend hoher Menge beziehungsweise Konzentration in den Mineralien vorhanden sind. [ 4 ]

Welche Seltenen Erden gibt es?

Insgesamt gibt es 17 Elemente, die zu den Seltenen Erden gehören. Hier die einzelnen Elemente mit ihren Ordnungszahlen im Periodensystem:

• 1. Scandium (21)

• 2. Yttrium (39)

• 3. Lanthan (57)

• 4. Cer (58)

• 5. Praseodym (59)

• 6. Neodym (60)

• 7. Promethium (61)

• 8. Samarium (62)

• 9. Europium (63)

• 10. Gadolinium (64)

• 11. Terbium (65)

• 12. Dysprosium (66)

• 13. Holmium (67)

• 14. Erbium (68)

• 15. Thulium (69)

• 16. Yitterbium (70)

• 17. Lutetium (71)

Warum diese Ordnungszahlen? Die Elemente mit einer geraden Ordnungszahl kommen häufiger vor als Elemente mit einer ungeraden Ordnungszahl. So kommt zum Beispiel Cer (58) in der Erdkruste häufiger vor als Kupfer. [ 5 ]

Wie werden Seltene Erden unterteilt?

Generell lassen sich Seltene Erden in leichte Seltene Erden wie Lanthan, Cer, Neodym und Praseodym sowie schwere Seltenen Erden einteilen, zu denen zum Beispiel Gadolinium, Terbium, Dysprosium und Lutetium gehören. [ 6 ] Die einzelnen Elemente unterscheiden sich in ihrer chemischen Struktur, ihrer Häufigkeit und insbesondere in ihren industriellen Anwendungsbereichen.

• Leichte Seltene Erden werden für Dauermagnete in Elektromotoren, Windkraftanlagen, Lautsprechern, Katalysatoren (Fahrzeuge, Raffinerien), als Poliermittel, als Glaszusatzstoffe und in Batterien verwendet.

• Schwere Seltene Erden sind hingegen unter anderem in Form der Elemente Dysprosium und Terbium zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit und Leistungsfähigkeit von Neodym-Magneten gefragt (z. B. Elektrofahrzeuge, Windkraftanlagen). Auch für LED-Lampen, Displays und Leuchtstoffe werden schwere Seltene Erden wie Europium, Terbium und Yttrium genutzt. Der Einsatz von Gadolinium als Kontrastmittel in der Medizintechnik wurde bereits weiter oben erwähnt. Und ohne Yittrium und weitere schwere Seltene Erden wären Supraleiter und Hochleistungslegierungen nicht realisierbar. [ 7 ]

Wie werden Seltene Erden gewonnen?

Da die Metalle nur in geringen Mengen und oft als Gemische in verschiedenen Mineralien vorkommen, ist die Gewinnung von Seltenen Erden technisch äußerst aufwendig.

Hierzu ein Beispiel:

• Zunächst werden die Erze durch konventionellen Bergbau gefördert und anschließend mechanisch zerkleinert und gemahlen. Die Anreicherung der Seltenerdenmineralien geschieht in physikalischen Verfahren wie zum Beispiel Magnetscheidung, Flotation sowie gravimetrische und elektrostatische Trennung.
  Die angereicherten Mineralkonzentrate werden anschließend mit konzentrierter Schwefelsäure oder Natronlauge behandelt, um die Seltenen Erden aus dem Gestein zu lösen. Bei diesen Verfahren entstehen Seltenerd-Salze oder -Hydroxide, die in weiteren Schritten mit Säuren gelöst und voneinander getrennt werden.

• Die Trennung der einzelnen Elemente ist besonders aufwändig, weil sie sehr ähnliche chemische Eigenschaften besitzen. Methoden der Trennung sind etwa fraktionierte Kristallisation, Ionenaustausch und Lösungsmittel-Extraktion.

• Die Gewinnung der reinen Metalle aus den Chloriden oder Fluoriden erfolgt schließlich durch Schmelzflusselektrolyse. [ 8 ]

Was macht die Gewinnung von Seltenen Erden so umweltbelastend?

Seltene Erden aus Mineralien zu extrahieren, ist nicht nur aufwendig und energieintensiv, sondern belastet vielfach auch die Umwelt:

• Für die Extraktion werden große Mengen konzentrierter Säuren oder Laugen benötigt, wodurch erheblichen Mengen an giftigen und radioaktiven Abfällen entstehen, die in die Umwelt gelangen können. Oftmals sind die Erze zudem mit radioaktiven Rückständen wie Uran und Thorium verunreinigt.

• Die verschiedenen Separationsprozesse benötigen sehr viel Energie und Wasser, was zusätzlich die Umwelt belastet.

• Bei der Aufbereitung und Raffination entstehen giftige Stäube, schwefelhaltige Abgase und schwermetallhaltige Rückstände. Werden diese nicht kontrolliert aufgefangen und separiert, kann dies zu massiven Belastungen der Umwelt (Luft, Wasser und Boden) führen.

• Auch die Förderung der Erze selbst hinterlässt meist großflächig zerstörte Landschaften. Ganz zu schweigen von den hohen gesundheitlichen Belastungen für die Minenarbeiter und die Bevölkerung in der Nähe der Abbaugebiete.

• Seltene Erden aus Altgeräten indes zu recyceln ist technisch anspruchsvoll und bislang nicht effizient genug, um den weiterhin steigenden Bedarf zu decken. [ 9 ]

Der Fortschritt hat somit einen hohen Preis, weil einerseits auf Seltene Erden nicht verzichtet werden kann, aber anderseits Menschen und Umwelt durch den Erzabbau und die Gewinnung bis hin zum gewünschten Metall zu Schaden kommen. In den Minen sollen zudem auch Kinder arbeiten.

Wo werden die Erze für Seltene Erden abgebaut?

China gehört zu den führenden Ländern für den Export von Seltenen Erden. Das Land verfügt über derart hohe Vorkommen, dass es eine gewisse Monopolstellung einnimmt. Weitere wichtige Vorkommen gibt es in Australien, den USA, Kanada, Brasilien, Russland, Indien, Vietnam, Myanmar, Malaysia, Grönland und Südafrika. Schätzungen zu Folge, baut China mehr als 70 Prozent der weltweit geförderten Seltenen Erden ab und verarbeitet davon rund 90 Prozent weiter. In Europa wurde 2023 das größte Vorkommen in Kiruna (Schweden) entdeckt.

Quellen:

[ 1 ] Mineralienatlas; Seltene Erden; Wikipedia

[ 2 ] Sparkasse; Tagesschau; ARD Alpha; Geology Science; Mineralienatlas; DW; Statista

[ 3 ] Mineralienatlas; Seltene Erden;

[ 4 ] Mineralienatlas; Wikipedia; SWR; Study Smarter; Geology Science

[ 5 ] Seltene Erden

[ 6 ] Mineralienatlas; SWB

[ 7 ] Seltene Erden; Deutsche Rohstoffaagentur; Wikipedia; ARD Alpha

[ 8 ] Mineralienatlas; Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz

[ 9 ] Stanford Advanced Materials; Analytik Jena; Renovables

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