Seltene Erden (REE) kommen in der Erdkruste häufig vor, jedoch in geringen Konzentrationen. Ihre Gewinnung ist arbeitsintensiv und mit erheblichen Auswirkungen auf die Umwelt verbunden. Seltene Erden werden hauptsächlich als chemische Katalysatoren verwendet, sind aber auch für die Energiewende und die globale Elektrifizierung unverzichtbar. Die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) untersucht Mikroben zur Verarbeitung von Seltenen Erden. Was könnte das für die Schweiz bedeuten?
Seltene Erden sind nicht wirklich selten. Diese Elemente sind jedoch verstreut und mit grossen Mengen anderer Elemente vermischt. Ihre durchschnittliche Konzentration in Gesteinen ist sehr gering. Sie müssen mit arbeitsintensiven und umweltbelastenden Verfahren aus dem umgebenden Gestein gewonnen werden. Seltene Erden sind eine Gruppe von siebzehn chemischen Elementen (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Sie werden auch als „Vitamine” der Industrie bezeichnet, da sie grundlegende Bestandteile vieler Bereiche der Hightech-Fertigungsindustrie sind. Wie Vitamine werden sie nur in geringen Mengen verwendet, sind aber unverzichtbar. Ein Elektroauto enthält mehrere Kilogramm Neodym oder Lanthan. Ein Windkraftgenerator enthält Hunderte Kilogramm Dysprosium. Jeder Computer, jedes Mobiltelefon und jedes andere elektronische Gerät ist auf Seltenerdelemente angewiesen. Das Seltenerdelement Gadolinium (Gd) wird als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet.
Seltene Erden kommen in verschiedenen Teilen der Welt vor. Derzeit sind jedoch nur drei Minen in China und eine im Westen der USA, die Mountain Pass Mine in Kalifornien, in Betrieb. Die US-Mine wurde in den 1980er Jahren geschlossen und erst 2017 wiedereröffnet. Die Gewinnung aus dem Erz erfolgt ausschliesslich in China. Dies hat zur Folge, dass China nicht nur mit einem Anteil von 90 Prozent den REE-Markt dominiert, sondern auch das einzige Land ist, das die gesamte Produktionskette vom Erz bis zu den REE-Metallen im industriellen Massstab betreibt. Da strengere Umweltstandards höchstwahrscheinlich zu einem Produktionsrückgang in China führen werden, müssen Massnahmen ergriffen werden, um alternative REE-Quellen zu finden und die Versorgung mit diesen für die Industrie wichtigen Rohstoffen sicherzustellen.
Der klassische Tagebau und der Strebbau sind energieintensive und umweltbelastende Grossprozesse: Konflikte sind unvermeidlich. In Barroso im Norden Portugals wurde eine grosse Lithiumlagerstätte entdeckt, in einem Gebiet, das kürzlich zum Weltkulturerbe erklärt wurde. Das britische Bergbauunternehmen Savannah Resources plant die Gewinnung von Seltenen Erden im Tagebau (Steinbruch). Kürzlich wurden bedeutende Vorkommen seltener Elemente in der arktischen Region Schwedens, 600 Kilometer nördlich von Stockholm, entdeckt. Es scheint sich um das grösste bekannte Vorkommen seltener Erden in Europa zu handeln. Das staatliche Unternehmen LKAB plant, innerhalb der nächsten 10 bis 15 Jahre mit dem Abbau im Strebbergbau zu beginnen. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass der Abbau dieser kritischen Metalle effizient durchgeführt wird, wobei auch neue innovative Ansätze zur maximalen Verringerung der Umweltbelastung in Betracht gezogen werden sollten.
Im Rahmen des Jahresthemas „Versorgungssicherheit” untersucht und diskutiert die SATW verschiedene Versorgungsengpässe und Lösungsansätze, wobei der Schwerpunkt auf Energie, Arzneimittelknappheit und Phosphor liegt. Es gibt Unterschiede zwischen der Knappheit von Arzneimitteln oder Kunststoffen sowie zwischen Seltenen Erden und Phosphor. Die einzige Schweizer Quelle für Letzteres sind Abfallstoffe. Klärschlamm ist die einzige heimische Quelle für Phosphor (siehe Artikel auf Deutsch: Die Kläranlage als Goldgrube) und für Seltenerdelemente sind es Altabfälle wie Batterien, ausrangierte Telefone, Computer und Ähnliches. Nach Schätzungen der UNO werden weniger als 20 Prozent der weltweit jährlich anfallenden rund 54 Millionen Tonnen Abfall recycelt. Das entspricht einem Verlust von mehreren zehn Milliarden Schweizer Franken pro Jahr. Im Jahr 2030 müssen über 1,5 Millionen Tonnen Autobatterien recycelt werden. In der Schweiz fallen pro Kopf und Jahr über 26 Kilogramm Elektronikschrott an.
Das Recycling von Metallen funktioniert gut bei Gold, Eisen oder Kupfer. Für Seltenerdmetalle gibt es jedoch keine guten Recyclingmethoden. Ein wichtiger Grund dafür ist das Fehlen einer hochspezifischen Trennungsmethode für diese Metalle. Bislang wird das Recycling mit den folgenden Methoden durchgeführt:
Lanmoduline sind hochselektive Protein-Chelatbildner für Lanthanide, die neue Möglichkeiten für die Flüssig-Flüssig-Extraktion zum Recycling von Seltenerdelementen und zum Abbau von Seltenerden eröffnen.
Von einigen Pflanzen und Mikroben ist seit langem bekannt, dass sie Metalle anreichern. Es gibt Bakterien, die in der Lage sind, speziell Seltenerdelemente zu binden. Beispielsweise benötigt das methylotrophe Bakterium Methylobacterium extorquens Seltenerdelemente wie Lanthanide als Enzym-Cofaktoren. Lanmoduline, diese hochselektiven Lanthanid-bindenden Proteine, sind für die Aufnahme dieser essenziellen Seltenerdelemente und das Überleben dieser Mikroorganismen unerlässlich. Experten der Pennsylvania State University haben gezeigt, dass diese seltenen Erden bindenden Proteine industriell für den Bergbau, das Recycling von Batterien und Elektronikschrott genutzt werden können. Eine denkbare Möglichkeit, sie industriell zu nutzen, besteht darin, das Protein in einem rekombinanten Wirt zu produzieren, es zu isolieren und auf einem festen Träger oder einem Trägermaterial zu immobilisieren. Der Schweizer Investor und Unternehmer Oliver Siegel ist dabei, ein Start-up-Unternehmen für das Recycling von Seltenen Erden zu gründen, das immobilisiertes Lanmodulin zur Wertschöpfung nutzt. Die Selektivität des rekombinanten Proteins kann beispielsweise auch an Actiniden (radioaktive Metalle) angepasst werden. Ursprünglich war geplant, das Start-up in der Schweiz zu gründen. Aufgrund der hohen Kosten wird das Start-up nun jedoch in Wien, Österreich, angesiedelt sein.
Nach dem Zweiten Weltkrieg hatte die Schweiz mit der Versorgung mit Materialien aus dem Ausland zu kämpfen. Infolgedessen wurde 1951 die ESM-Stiftung gegründet. Die Schweizer Stiftung, eine Mitgliedsorganisation der SATW, ist nach wie vor aktiv und befasst sich mit der Versorgung und einer nachhaltigeren Nutzung kritischer Ressourcen. Die ESM unterstützt auch Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich seltener und kritischer Elemente mit Schwerpunkt auf deren industriellen Anwendungen. Die ESM ist Partnerin im Forschungsprojekt CircuBAT zur Entwicklung eines nachhaltigen Kreislaufwirtschaftsmodells für in der Schweiz verwendete Lithium-Ionen-Batterien für Automobile.
Das Thema ist von grosser Bedeutung und hat einen noch grösseren Umfang. Die American Chemical Society (ACS) hat 44 chemische Elemente veröffentlicht, die in den kommenden Jahren mit Versorgungsengpässen konfrontiert sein werden. Ob der oben beschriebene neuartige biotechnologische Ansatz und die Methodik auch auf andere Recyclingsysteme, Metalle und Nichtmetalle, angewendet werden können, bleibt abzuwarten.
Sind Sie an diesem Thema interessiert oder benötigen Sie Unterstützung? Wir freuen uns auf Ihre Kontaktaufnahme.
Kontakt: Hans-Peter Meyer, Expertinova AG, SATW-Mitglied, Leiter des wissenschaftlichen Beirats
