Urban Mining bezeichnet die Rückgewinnung von Metallen und anderen wertvollen Materialien aus Abfallströmen, anstatt diese auf Deponien zu entsorgen. Lithium und Kobalt gelten seit langem als wichtige Ressourcen, insbesondere für Batterietechnologien, die in Geräten wie Smartphones und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. In letzter Zeit gewinnen Seltene Erden zunehmend an Bedeutung. Seltene Erden, die oft als „Vitamine der Industrie” bezeichnet werden, spielen eine wesentliche Rolle in zahlreichen Anwendungen, darunter Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen, Glasherstellung, Permanentmagnete, Katalysatoren, elektronische Geräte und Magnetresonanztomografie.
Lithium und Kobalt gelten weithin als wichtige Rohstoffe und zählen zu den weltweit gefragtesten Ressourcen. Nach Angaben des Australian Strategic Policy Institute (ASPI) dominiert China 66 von 74 kritischen Technologien und übt weiterhin eine überwältigende Kontrolle über den Seltenen-Erden-Markt aus. Diese Dominanz hat es China ermöglicht, Seltene Erden als geopolitisches Instrument einzusetzen, insbesondere um die Vereinigten Staaten während Zollstreitigkeiten zu marginalisieren. China hat derzeit ein Quasimonopol auf Seltene Erden, und die jüngsten Exportbeschränkungen wirken sich zunehmend nicht nur auf die globalen Märkte, sondern auch auf Länder wie die Schweiz aus, was zu wachsenden Bedenken hinsichtlich der Versorgungssicherheit und der Marktunsicherheit führt.
In den letzten Jahren war ein Rückgang der Preise für Seltene Erden zu beobachten, insbesondere seit 2021 für Neodym, Dysprosium, Praseodym und Terbium, Materialien, die für die Energiewende unerlässlich sind (mehr dazu). Trotz kurzfristiger Preisschwankungen bleibt der langfristige Preistrend jedoch eindeutig aufwärtsgerichtet. Obwohl Magnete nur etwa 30 Prozent des gesamten Seltenen Erden-Volumens ausmachen, repräsentieren sie mehr als 80 Prozent des gesamten Marktwertes. Die weltweite Nachfrage nach magnetischen Seltenen Erden wird voraussichtlich stark ansteigen, von etwa 59 Kilotonnen im Jahr 2022 auf 176 Kilotonnen im Jahr 2035. Die anhaltende Abhängigkeit von einer begrenzten Anzahl von Exportländern, insbesondere China, stellt daher ein erhebliches strategisches und wirtschaftliches Risiko dar.
Die Schweiz importiert Seltene Erden hauptsächlich in Form von verarbeiteten Zwischen- und Fertigprodukten wie Magneten, Batterien und anderen Hightech-Produkten. Die Schweizer Industrie bezieht mineralische Rohstoffe in der Regel nicht direkt aus den Förderländern, sondern über die Europäische Union, oft über Mutter- oder Tochtergesellschaften. Da der Kostenanteil von Seltenen Erden an den Endprodukten relativ gering ist, hätte selbst ein erheblicher Preisanstieg nur begrenzte Auswirkungen auf die Gesamtwettbewerbsfähigkeit der Schweizer Industrie.
Im Falle von Versorgungsengpässen oder starken Preisanstiegen liegt die Sicherstellung des Zugangs zu Rohstoffen jedoch in erster Linie in der Verantwortung des Privatsektors und erfordert Vorbereitungen (Die Versorgung der Schweiz mit Seltenen Erden. und Versorgung der Schweizer Industrie mit mineralischen Rohstoffen für die Energiewende.). Der heimische Bergbau ist in der Schweiz keine praktikable Option. Stattdessen kommen potenzielle Strategien wie die Substitution durch nicht kritische Rohstoffe, Verbesserungen der Materialeffizienz und die Schliessung von Materialkreisläufen infrage. Derzeit sind jedoch keine brauchbaren nicht kritische Ersatzstoffe in Sicht, und die Industrie arbeitet bereits nahe an den Grenzen der Materialeffizienz.
Damit bleibt als einzige Option das Recycling, das sogenannte «Urban Mining». Allerdings ist Recycling keineswegs kostenlos, und die Rückgewinnung von Spurenmetallen wie Gallium, Cadmium, Tellur und anderen ist im Gegensatz zu leichter recycelbaren Metallen wie Aluminium oder Kupfer technisch und wirtschaftlich herausfordernd.
In der Schweiz ist das Recycling von Seltenen Erden aus Elektronikschrott nach wie vor auf einem geringen Niveau. Weltweit werden derzeit weniger als ein Prozent der seltenen Erden recycelt, obwohl Forschungsentwicklungen darauf hindeuten, dass die Recyclingeffizienz in Zukunft deutlich verbessert werden könnte. Ein effektives Recycling muss jedoch drei Hürden überwinden:
Biotechnologische Ansätze müssen in eine mehrstufige Recyclingkette integriert werden. In Kombination mit Robotik und künstlicher Intelligenz bergen sie das Potenzial, hochselektive, effiziente und umweltschonendere Grossverfahren zu ermöglichen.
Seit dem Urknall sind etwa 13,7 Milliarden Jahre vergangen. Die ersten prokaryotischen Lebensformen entstanden vor etwa vier Milliarden Jahren, und vor 3,0 bis 2,7 Milliarden Jahren begann die mikrobielle oxygenische Photosynthese, die zu einer aussergewöhnlichen Vielfalt mikrobiellen Lebens führte. Die Suche nach biotechnologischen Lösungen wird jedoch dadurch stark eingeschränkt, dass nur etwa ein Prozent der Bakterienarten bekannt sind und mit Standard-Labortechniken kultiviert werden können. Zwar ist unser Wissen über Pilze und Mikroalgen etwas weiter fortgeschritten, doch bleiben auch hier mehr als neunzig Prozent dieser Organismen unerforscht. Angesichts der Fülle an Produkten und Dienstleistungen, die bereits aus dem kleinen Teil der heute bekannten Organismen gewonnen werden, kann man sich nur vorstellen, welches enorme Potenzial noch unentdeckt ist.
Die Biotechnologie bietet vier entscheidende Vorteile:
Angesichts des hohen Energiebedarfs und der Umweltbelastung herkömmlicher physikalisch-chemischer Methoden zur Gewinnung von Seltenen Erden werden zunehmend nachhaltige biologische Verfahren wie Bioleaching, Biosorption und Bioakkumulation erforscht.
Die rauen Bedingungen, die mit der Verarbeitung und Gewinnung von Elektronikschrott verbunden sind, begünstigen den Einsatz von Extremophilen, die bei extremen pH-Werten und Temperaturen gedeihen. Diese Organismen produzieren oft metallbindende Proteine oder chelatbildende Moleküle, und in einigen Taxa dienen Seltene Erden sogar als enzymatische Cofaktoren. Obwohl es auch andere biologische Systeme gibt, sind Extremophile für Urban Mining besonders geeignet, da sie Toleranz gegenüber rauen Umgebungen mit dem Potenzial für skalierbare und umweltfreundliche Prozesse verbinden.
Die Entwicklung biobasierter Werkzeuge für Urban Mining erfordert die gezielte Sammlung, Isolierung und das Screening von Organismen aus natürlichen Umgebungen. Das wesentlich einfachere In-silico-Screening, bei dem bestehende DNA-Sequenzdatenbanken durchsucht werden, ist nicht sinnvoll, da dieser metagenomische Ansatz den Nachteil hat, dass neue Aktivitäten oder Strukturen nicht gefunden werden können. Die Suche nach biobasierten Werkzeugen für das Urban Biomining erfordert die Sammlung von Organismen aus natürlichen Umgebungen. Obwohl das akademische Forschungsumfeld der Schweiz in den Umweltwissenschaften international stark ist, konzentrieren sich seine Aktivitäten weitgehend auf Umweltüberwachung, Detektion und Biodiversitätsbewertung und weniger auf die systematische Isolierung von Organismen und das funktionale Screening. Historisch gesehen war SwissAustral Biotech SA eines der wenigen Unternehmen in der Schweiz, das sich aktiv mit solchen «Bioprospektions»-Bemühungen befasste, Labore in Monthey betrieb und eine spezielle Extremophilen-Bibliothek unterhielt. Seitdem sind vergleichbare Initiativen im industriellen Massstab, die sich auf die Entdeckung und Nutzung neuartiger Umweltmikroorganismen konzentrierten, weitgehend aus der Schweizer Landschaft verschwunden.
Das 2023 an der ETH Zürich gegründete Start-up REEcover hat eine patentierte Technologie entwickelt, die aus der Forschungsgruppe von Victor Mougel stammt und die Gewinnung von Seltenen Erden aus Elektronikschrott ermöglicht (Recovery of europium from E-waste using redox active tetrathiotungstate ligands, Nature 2024). Der erste Proof of Concept befasst sich mit dem Recycling von Europium und Yttrium aus Energiesparlampen. Der Prozess ist jedoch auf synthetische Tetrathiotungstat-Liganden anstatt auf biobasierte Alternativen angewiesen.
An der ETH Zürich hat Raffaele Mezzenga Proteinaggregate auf Basis von Amyloidfibrillen entwickelt, die zur Herstellung von Membranen verwendet werden können, die für die Wasserreinigung oder die Rückgewinnung von Gold aus Elektronikschrott funktionalisiert sind (mehr erfahren).
Unabhängig davon hat ein Studententeam der ETH Zürich im Rahmen eines iGEM-Projekts 2025 ein Photobioreaktorsystem entwickelt, das die Kultivierung von Algen ermöglicht, um Rotschlamm, der bei der Raffination von Bauxit zu Aluminiumoxid entsteht, bioakkumulieren.
Methylobacterium extorquens synthetisiert Lanmodulin, ein Lanthanid-bindendes Protein, das Seltene Erden adsorbieren kann ( Lanmodulin: A Highly Selective Lanthanide-Binding Protein from a Lanthanide-Utilizing Bacterium ). Der Schweizer Unternehmer Oliver Siegel erwog die Gründung des Start-ups Magmatic in der Schweiz, doch schliesslich wurde das Unternehmen unter seiner Leitung in Wien gegründet.
Das Biomining von Seltenen Erden ist eine vielversprechende neue Methode, und seit 2023 (Seltene Erden – wie man mit zukünftigen Herausforderungen umgeht) hat sich die Technologielandschaft in Richtung integrierter Lösungen verschoben, die Biotechnologie, KI und Robotik kombinieren. Um Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit zu erreichen, sind jedoch Fortschritte auf mehreren Ebenen und an verschiedenen Standorten erforderlich, was den grundlegend interdisziplinären Charakter dieses Ansatzes unterstreicht.
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