Seltene Erden Seltene Erden – Das Gold der Neuzeit?

Von Juliana Pfeiffer

Bis zu 70.000 Tonnen an Seltenerdmagneten im Jahr werden nach Schätzungen der European Raw Materials Alliance bis 2030 allein für den Bau von Elektroautos benötigt. Seltene Erden stecken allerdings noch in vielen anderen Hightech-Produkten. Was steckt hinter diesen besonderen Metallen und sind sie wirklich selten?

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Seltene Erden sind besondere Metalle. Ohne sie würde kein Smartphone, Elektroauto oder LEDs funktionieren.
Seltene Erden sind besondere Metalle. Ohne sie würde kein Smartphone, Elektroauto oder LEDs funktionieren.
(Bild: ©Phawat - stock.adobe.com)

Sie stecken in Smartphones, Notebooks, LED-Leuchten, Elektromotoren und in vielen weiteren Hightech-Produkten – die Rede ist von Seltenen Erden. Ohne diese besonderen Metalle würden diese Produkte nicht funktionieren. Diese wertvollen Rohstoffe werden zwar nur in jeweils kleinen Mengen benötigt, ähnlich wie Gewürze beim Kochen. Doch genau diese Prise ist ausreichend, um Smartphone & Co. zum Laufen zu bringen.

Doch was sind Seltene Erden überhaupt? Der Name ist eher missverständlich, denn so selten kommen diese Metalle gar nicht vor, manche kommen sogar häufiger vor als Kupfer oder Blei. Ihr Name hat eher einen geschichtlichen Hintergrund, der weit in die Anfänge ihrer Gewinnung reicht. Früher ging man davon aus, dass die Metalle dieser Gruppe sehr selten seien – daher die Bezeichnung Selten. Erden, da Seltene Erden früher nur als Oxide aus bestimmten Mineralien gewonnen wurden. Erden ist daher nur eine ältere Bezeichnung für Oxide. Die ersten dieser Metalle wurden Ende des 18. Jahrhunderts in Schweden entdeckt.

Die 17 Seltenen Erden

Grundsätzlich kommen Seltene Erden nie alleine vor, sondern stets im Verbund miteinander. Die Seltenen Erden bestehen aus den chemischen Elementen der 3. Gruppe des Periodensystems: Scandium (Ordnungszahl 21), Yttrium (39), Lanthan (5), sowie die 14 auf das Lanthan folgenden Elemente, die Lanthanoide. Diese lassen sich grob in Ceriterden (Ordnungszahl 58-64) und Yttererden (Ordnungszahlen 65-71) unterteilen. Zu den Lanthanoiden zählen:

  • Cer (58)
  • Praseodym (59)
  • Neodym (60)
  • Promethium (61)
  • Samarium (62)
  • Europium (63)
  • Gadolinium (64)
  • Terbium (65)
  • Dysprosium (66)
  • Holmium (67)
  • Erbium (68)
  • Thulium (69)
  • Ytterbium (70)
  • Lutetium (71)

Die 17 Seltenen Erden werden nochmals in leichte und schwere Seltene Erden unterteilt: Etwa 95 Prozent des Vorkommens an Seltenen Erden entfallen auf die vier leichten Metalle: Cer, Lanthan, Neodym und Praseodym. Demnach liegt der Anteil der 13 schweren Seltenen Erden Dysprosium, Erbium, Europium, Gadolinium, Holmium, Lutetium, Promethium, Samarium, Scandium, Terbium, Thulium, Ytterbium und Yttrium bei nicht einmal fünf Prozent.

In welchen Bereichen die 17 Seltenen Erden eingesetzt werden, zeigt folgende Bildergalerie:

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Eigenschaften von Seltenen Erden

Seltene Erden sind silberfarbene, an der Luft schnell anlaufende und relativ weiche Metalle. Sie sind stark elektropositiv, reaktionsfähig und haben eine geringe Leitfähigkeit. Reagieren sie mit Wasser und verdünnten Säuren bilden sich Wasserstoff. Beim Entzünden an der Luft verbrennen sie zu La2O3. Terbium und Ytterbium sind in fein verteiltem Zustand sogar pyrophor, das heißt, sie entzünden sich selbst.

70.000 Tonnen/Jahr Seltenerdmagnete für Elektroautos benötigt

Seltene Erden werden in sehr vielen Industriezweigen benötigt. Zum wichtigsten Einsatzgebiet zählen leistungsstarke Dauermagnete. Sie kommen ebenso in großen Anlagen wie Windkraftturbinen als auch in Kopfhörern vor. So stecken beispielsweise in Elektromotoren die stärksten Magnete. Sie bestehen aus einem Neodym-Eisen-Bor-Gemisch. Der Anteil von Neodym liegt bei 20 Prozent. In einem Hybridfahrzeug können bis zu 20 Kilogramm der Elementen Erden stecken. Neben Motor befinden sich diese auch in anderen Bauteilen wie LED-Leuchten oder im Lack.

In Windkraftanlagen werden in die Elektromotoren etwa eine Tonne Neodym-Bor-Eisen pro Megawatt eingebaut. Wesentlich kleiner sind die Supermagneten, die in Festplattenlaufwerken stecken. Erst durch ihre hohe Energiedichte konnten Handys überhaupt erst so klein werden. Indium lässt erst Touchscreens von Smartphones und Tablets richtig funktionieren.

Zündkerzen in Autos enthalten eine Yttrium-Legierung, die ihre Lebensdauer verlängert und den Benzinverbrauch senkt. Cer lässt Autolacke und Scheiben nicht so schnell verkratzen und macht Oberflächen widerstandsfähiger. Europium und Yttriumbringen Glühbirnen, LEDs, Plasmabildschirme, Neonröhren und Dioden zum Leuchten.Scandium wird für die gleißend helle Beleuchtung von Fußballstadien benötigt. Erbium, Ytterbium und im kleineren Umfang auch Dysprosium finden in Lasern Anwendung. Erbium spielt zudem bei Glasfaserkabeln eine Rolle.

In der Medizin finden sich ebenfalls einige Seltenen Erden. Scandium taucht in der Röntgentechnik auf, Gandalinium wird als Kontrastmittel in der Kernspintomographie verwendet.

Aber auch darüber hinaus finden sich zahlreiche Anwendungen Seltener Erden. Praseodym verbessert beispielsweise die UV-Absorption und wird für Augenschutzgläser, wie Schweißbrillen, benutzt. Neodym sorgt in Legierungen mit Magnesium für hochfeste Metalle im Flugzeugmotorenbau. Terbium wird bei der Herstellung von Halbleitern verwendet und dient als Aktivator für fluoreszierende Leuchtstoffe. Zusammen mit Zirkondioxid wird es als Stabilisator von Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt.

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Vorkommen von Seltenen Erden: China bleibt Monopol

Die European Raw Materials Alliance (ERMA) schätzt den weltweiten Bedarf an Seltenerdmagneten allein für den Bau von Elektrofahrzeugen bis 2030 auf jährlich bis zu 70.000 Tonnen; im Jahr 2019 lag der Bedarf noch bei 5000 Tonnen. Dazu kommen mehr als 100.000 Tonnen, die dann jedes Jahr für erneuerbare Energien, Werkzeugmaschinen oder Roboter gebraucht werden – allesamt Branchen, in denen Unternehmen aus der EU zu den führenden Herstellern zählen.

Das Problem: Nach Angaben des Instituts der deutschen Wirtschaft stammen fast 90 Prozent der globalen Produktion an Seltenen Erden aus China (Stand 2019). Das bedeutet, die EU ist fast vollständig auf Importe angewiesen. Dabei verfügt China nach Schätzungen nur über etwa ein Drittel der weltweiten Ressourcen. Vorräte befinden sich auch in den USA, in Kanada, Brasilien, Australien, Indien, Malaysia, Vietnam, Russland, Kassachstan, Aserbaidschan und Schweden. Das größte bekannte Vorkommen an schweren Seltenen Erden befindet sich in Kringlerne im Süden Grönlands.

Seltene Erden steckt auch in deutscher Erde

In Deutschland sind Seltene Erden die Ausnahme. Im sächsischen Storkwitz, nordwestlich von Leipzig wurden zu DDR-Zeiten bei Uranbohrungen zufällig die Bodenschätze entdeckt, darunter Cer, Lanthan, Praseodym, Neodym, Europium und Yttrium. 2012 erfolgten weitere Probebohrungen: hier ging man von etwa 20.000 Tonnen Erzen mit Seltenen Erden aus. Allerdings lag der Gehalt an den gesuchten Metallen im Erz bei weniger als einem halben Prozent. Die Schlussfolgerung: Eine Förderung lohnt sich nicht.

Eine weitere Fundstädte dieser Seltenen Erden liegt im Absatzbecken eines ehemaligen Erzbergwerks im Harz. Hier stöberten die Forscher der TU Clausthal bis zu 50 Tonnen Indium, 200 Tonnen Gallium und 1300 Tonnen Kobalt im Schlamm der Seen am Rammelsberg auf. In den winzigen Partikeln, weniger als 50 Mikrometer groß, kommen aber auch andere Werkstoffe, darunter seltene Erden, vor. Ein Projektpartner, die Stöbich Holding aus Goslar, will hier den kommerziellen Abbau starten. Die Wissenschaftler der TU Clausthal gewinnen mit Schwefelsäure bereits einige Gramm Indium und Kobalt aus dem Schlamm. Um die übrigen Rohstoffe zu gewinnen, sollen noch Verfahren entwickelt werden, heißt es. Hierzu sollen Wälle und Dämme samt Absatzbecken zurückgebaut und alle werthaltigen Rohstoffe daraus gewonnen werden.

Auch der feine Ostseesand steckt voll von Seltenen Erden. Jedes Jahr holen Bagger rund 500.000 Tonnen feinen Schlick aus der Ostsee, damit die Strände schön bleiben. In einigen Sanden ist Zirkon enthalten. Dieses Material wird vor allem von Gießereien und Glasfabriken benötigt. Darin sind die seltenen Erden eingebettet. Das Unternehmen Geos aus dem sächsischen Halsbrücke entwickelt derzeit ein biologisches Verfahren, mit dem der Rohstoff aus dem Seesand gewonnen werden kann.

Billiger, umweltverschmutzender Abbau in China

Größere wirtschaftlich rentable Lagerstätten neben dem Monopol China sind aber tatsächlich spärlich gesät. Doch warum? Seit den 1990er-Jahren haben andere Länder die nicht so einfache und umweltschädliche Förderung zurückgefahren. Die Seltenen Erden waren nun billig aus China zu bekommen. Hier wurden Auflagen häufig missachtet. So entstanden beim Abbau mit Säuren, die die Metalle aus den Bohrlöchern waschen, Abfallprodukte und giftige Abwässer, die das Grundwasser verschmutzten. Von 2010 bis 2015 schränkte China plötzlich seine Exportmengen ein, um die umweltschädliche exzessive Förderung zu verringern und die Preise dennoch oben zu halten. Weltweit begann die Suche nach anderen Vorkommen oder nach technischen Alternativen.

Recyceln statt fördern

Müll- und Schrottplätze wären eine Förderstätte für Seltene Erden: 53,6 Millionen Tonnen Elektroschrott, darunter Smartphones und Computer, landen pro Jahr auf dem Müll. Das entspricht laut Global E-Waste Monitor 7,3 Kilogramm pro Person weltweit. In Deutschland liegt dieser Wert sogar bei 20 Kilogramm pro Kopf. Allerdings werden nur 43 Prozent davon fachgerecht entsorgt. Dennoch ist es schwierig, aus den technischen Geräten die begehrten Rohstoffe wiederzugewinnen. Hierzu braucht es spezielle Verfahren. Derzeit werden Smartphones mühevoll per Hand demontiert, um die Werkstoffe zu recyceln. Seit 2011 erforscht das Helmholtz-Institut-Freiberg für Ressourcentechnologie deshalb, wertvolle Rohstoffe wie die Seltenen Erden besser zu nutzen, zu recyceln oder am besten erst gar nicht zu verwenden.

Europäische Industrie soll 20 Prozent Bedarf decken

Fakt ist das der Weltmarkt für Seltenerdenmagnete mit 6,5 Milliarden Euro zwar vergleichsweise klein ist. Aber allein der EU-Mobilitäts- und -Automobilmarkt könnte bis 2030 auf 400 Milliarden Euro wachsen. Dafür braucht es die Seltenen Erden.

Das von Europäischen Kommision 2020 gegründete European-Raw-Materials-Alliance-Cluster für Seltenerdmagnete und -motoren hat deshalb einen Aktionsplan vorgelegt. Dieser legt den grundlegenden Rahmen für eine europäische Industrie für Seltene Erden fest, die bis zum Jahr 2030 20 Prozent des EU-Bedarfs an Seltenerdmagneten decken könnte. Dazu wären Investitionen in Höhe von 1,7 Milliarden Euro nötig, für den Bergbau und die Aufbereitung der Erze einerseits und das Recycling und die Magnetproduktion andererseits.

Hierfür müssten allerdings die politischen Rahmenbedingungen so gestaltet werden, dass eine heimische Industrie Seltene Erden auch wirtschaftlich produzieren kann. Geplant ist laut ERMA ein europäisches Level Playing Field: Hier würden europäische Unternehmen Steuererleichterungen und niedrige Energiepreise garantiert, um im Wettbewerb mit China bestehen zu können. Magnete aus China lassen sich heute zu 20 bis 30 Prozent geringeren Kosten produzieren, aufgrund staatlicher Subventionen sowie niedrigerer Sozial-, Arbeits- und Umweltstandards.

Investiotionsmöglichkeiten für Seltene Erden in Europa

Laut ERMA könnte beispielsweise in Skandinavien die Erze gewonnen und in Polen oder Estland die Materialien aufbereitet werden. Belgien und Frankreich bieten gute Voraussetzung für das Recycling und Deutschland oder Slowenien wären demnach geeignete Standorte für die Produktion von Magneten. Auch in die Forschung und Entwicklung sollte laut ERMA investiert werden, z.B. in effizientere Aufbereitungstechnologien, neue Magnetmaterialien, in die additive Fertigung von Permanentmagneten, in Recyclingstechnologien oder in die Entwicklung energieeffizienterer Motordesigns.

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