Spezialfasern sollen Uran aus dem Meer holen, doch die Skalierung ist gewaltig

In den Weltmeeren sind schätzungsweise 4 bis 4,5 Mrd. t Uran gelöst. Doch der Rohstoff ist extrem stark verdünnt: Ein Liter Meerwasser enthält nur rund 3 bis 3,3 µg. Das US-Startup SuperCritical Materials will das Uran mithilfe chemisch veränderter Acrylfasern aus dem Wasser holen.

Dafür hat das Unternehmen eine Exklusivlizenz des US-Energieministeriums erhalten. SuperCritical nennt ein ehrgeiziges Ziel: Eine erste Anlage soll später rund 839 t Uran pro Jahr liefern. Bislang entstanden mit der Technik allerdings nur wenige Gramm eines Urankonzentrats. Eine endgültige Investitionsentscheidung, ein konkretes Anlagenkonzept und belastbare Angaben zu den Produktionskosten fehlen noch.

Nur wenige Mikrogramm Uran pro Liter

Die Menge des gelösten Urans ist gewaltig. Seine Konzentration ist dagegen winzig. In einem olympischen Schwimmbecken mit 2,5 Mio. l Meerwasser wären rechnerisch nur etwa 8 g Uran enthalten.

Hinzu kommt: Das Uran schwimmt nicht als festes Teilchen im Wasser, das sich mit einem feinen Filter zurückhalten ließe. Es liegt in gelösten chemischen Verbindungen vor. Um es zu gewinnen, braucht es Materialien, die diese Verbindungen möglichst gezielt an ihrer Oberfläche festhalten.

Die Gewinnung von Rohstoffen aus Meerwasser wird auch mit anderen Verfahren untersucht. Forschende der University of Rochester haben beispielsweise eine laserstrukturierte Aluminiumfolie entwickelt, die Meerwasser mit Sonnenlicht verdunsten lässt und die zurückbleibenden Salze sammelt. Darin befinden sich auch Spuren von Uran und anderen wertvollen Elementen. Die Folie trennt das Uran allerdings nicht gezielt aus dem Gemisch heraus. Wie die Folie zugleich Trinkwasser erzeugen und Rohstoffe sammeln soll, lesen Sie hier.

Das von SuperCritical Materials lizenzierte Verfahren verfolgt einen selektiveren Ansatz. Entwickelt wurde es unter Beteiligung des Pacific Northwest National Laboratory, kurz PNNL. Zum Gründerteam des Startups gehört Gary Gill, der zuvor in der Meeresforschung des PNNL tätig war und über Jahre an der Urangewinnung aus Meerwasser gearbeitet hat.

Acrylfasern sollen Uran aus dem Wasser binden

Ausgangspunkt sind handelsübliche Acrylfasern. Sie bestehen aus Polymeren, die zahlreiche sogenannte Nitrilgruppen enthalten. Ein Teil dieser Gruppen wird chemisch in Amidoxim- und Carboxylatgruppen umgewandelt.

Diese neuen Gruppen bilden Komplexe mit gelösten Uranverbindungen. Vereinfacht gesagt wirken sie wie ein chemischer Klettverschluss: Das Uran bleibt an den Fasern hängen, während das Meerwasser weiterströmt.

Die Fasern können als Garne, Bündel oder Geflechte eingesetzt werden. Für eine spätere Anlage ergibt sich daraus grundsätzlich folgender Kreislauf:

1. Die Acrylfasern werden chemisch verändert.
2. Die Fasern kommen mehrere Wochen mit Meerwasser in Kontakt.
3. Die mit Uran beladenen Fasern werden geborgen.
4. Eine chemische Lösung löst das Uran von den Fasern.
5. Das Uran wird gereinigt und aufkonzentriert.
6. Die Fasern werden für den nächsten Einsatz vorbereitet.

Das Patent nennt unter anderem Kaliumhydrogencarbonat oder verdünnte Salzsäure, um das gebundene Uran wieder abzulösen. Welche Chemikalien SuperCritical in einer Großanlage verwenden würde, ist nicht bekannt.

Das Ergebnis wäre zunächst ein Urankonzentrat, kein fertiger Kernbrennstoff. Für den Einsatz in den meisten Reaktoren muss das Material noch chemisch umgewandelt, angereichert und schließlich zu Brennelementen verarbeitet werden.

Das Verfahren beginnt mit handelsüblicher Faser

Amidoximhaltige Materialien werden bereits seit Jahrzehnten für die Urangewinnung aus Meerwasser untersucht. Bei älteren Verfahren werden die benötigten Polymerketten häufig mithilfe ionisierender Strahlung auf ein Trägermaterial aufgebracht.

Das nun lizenzierte Verfahren setzt dagegen direkt bei handelsüblichen Acrylfasern an. Die benötigten Bindungsstellen entstehen durch chemische Reaktionen in der bereits vorhandenen Faser. Das soll die Herstellung vereinfachen und die Kosten des Adsorbers senken.

Wie viel Uran die Fasern aufnehmen, hängt unter anderem von der Temperatur und der Dauer des Einsatzes ab. In den im Patent beschriebenen Versuchen banden die Fasern bei einer Wassertemperatur von 20 °C:

• nach 21 Tagen rund 4 g Uran je kg Faser,
• nach 56 Tagen rund 6 g Uran je kg Faser.

Diese Werte zeigen, dass das Material selbst aus natürlichem Meerwasser messbare Mengen Uran herausholen kann. Ob die Fasern ihre Leistung auch nach vielen Einsätzen und Reinigungszyklen behalten, ist damit noch nicht belegt.

2018 entstanden rund 5 g Yellowcake

Einen wichtigen Versuch meldeten das PNNL und das damalige Unternehmen LCW Supercritical Technologies im Jahr 2018. Die Beteiligten setzten bei drei Versuchsreihen jeweils rund 0,9 kg der modifizierten Acrylfasern ein.

Die Fasern lagen jeweils etwa einen Monat lang in einem Becken, durch das natürliches Meerwasser gepumpt wurde. Die Strömung sollte die Bedingungen im offenen Meer nachbilden. Es handelte sich aber noch nicht um einen frei im Ozean betriebenen Offshore-Versuch.

Aus dem abgeschiedenen Uran stellten die Beteiligten insgesamt rund 5 g Yellowcake her. Dabei handelt es sich um ein uranhaltiges Konzentrat, das im weiteren Brennstoffkreislauf verarbeitet werden kann.

Der Abstand zur geplanten Großanlage ist erheblich: Bei den damaligen Versuchen entstanden wenige Gramm Yellowcake. SuperCritical Materials will mit seiner ersten Anlage nach eigenen Angaben jährlich rund 839 t Uran gewinnen.

Die Werte lassen sich nicht direkt miteinander vergleichen. Yellowcake ist ein Urankonzentrat, während sich das Unternehmensziel auf die enthaltene Uranmasse pro Jahr bezieht. Sie zeigen aber, wie groß der Schritt von der Versuchsanlage zur industriellen Produktion wäre.

Vanadium belegt ebenfalls die Fasern

Uran ist nicht das einzige Element, das an den Fasern hängen bleibt. Meerwasser enthält zahlreiche weitere gelöste Stoffe. Besonders problematisch ist Vanadium, weil es ebenfalls stark an Amidoximgruppen bindet.

Die Acrylfasern nahmen in Versuchen weniger Vanadium auf als zwei ältere Vergleichsmaterialien. Vollständig verhindern lässt sich die unerwünschte Bindung aber nicht. Die zusätzlich aufgenommenen Metalle müssen später wieder vom Uran getrennt werden.

Auch Eisen, Kupfer und Zink können sich an den Adsorbern anreichern. Wie stark, hängt unter anderem vom Fasermaterial, von der Temperatur und von den Bedingungen am Einsatzort ab.

Bewuchs kann die Uranaufnahme verringern

Ein weiteres Problem ist Biofouling. Bleiben Materialien längere Zeit im Meer, siedeln sich darauf Bakterien, Algen und andere Organismen an. Dieser Bewuchs kann die Oberfläche der Fasern abschirmen und damit die Uranaufnahme verringern.

Bei Versuchen des PNNL mit einem anderen amidoximhaltigen Adsorber ging die Uranaufnahme durch Biofouling um bis zu 30 % zurück. Die Ergebnisse lassen sich nicht direkt auf die nun lizenzierte Acrylfaser übertragen. Sie zeigen aber, dass biologischer Bewuchs bei einer späteren Anlage berücksichtigt werden muss.

Unklar ist zudem, wie häufig sich die Fasern einsetzen lassen. Werden sie durch Strömung, Bewuchs und die chemische Reinigung geschädigt, sinkt ihre Lebensdauer. Das würde den Materialbedarf und damit die Produktionskosten erhöhen.

Erster Einsatz ist in Texas vorgesehen

SuperCritical Materials erwartet einen ersten Einsatz in Texas. Wo und in welcher Form die Fasern eingesetzt werden sollen, hat das Unternehmen bislang nicht veröffentlicht. Offen ist etwa, ob die Fasern direkt im Meer, in einer küstennahen Anlage oder in einem technisch erzeugten Meerwasserstrom arbeiten sollen.

Das Unternehmen rechnet nach Angaben von Reuters mit Genehmigungen von 13 Behörden. Dazu gehören unter anderem die texanische Umweltbehörde, die Texas Railroad Commission und die US Coast Guard.

Als frühesten Produktionsbeginn nennt SuperCritical die Jahre 2030 oder 2031. Die erste Anlage soll nach den Plänen des Unternehmens mindestens 40 Jahre lang jährlich rund 839 t Uran liefern.

Eine endgültige Investitionsentscheidung gibt es noch nicht. Bislang hat das Startup rund 3,9 Mio. € privates Kapital eingeworben. Die Umrechnung basiert auf einem gerundeten Wechselkurs; das Unternehmen selbst nennt 4,5 Mio. $.

Zentrale technische und wirtschaftliche Fragen sind weiterhin offen:

• Wie viel Fasermaterial und Wasserfläche benötigt die Anlage?
• Wie oft können die Fasern wiederverwendet werden?
• Wie hoch sind der Energie- und Chemikalienbedarf?
• Wie werden die Fasern ausgebracht, verankert und geborgen?
• Wie viel kostet ein Kilogramm Uran aus Meerwasser?

Gerade die letzte Frage entscheidet darüber, ob aus dem Verfahren mehr wird als eine technisch interessante Möglichkeit.

Die USA beziehen den Großteil ihres Urans aus dem Ausland

Die USA wollen ihre Versorgung mit Kernbrennstoffen stärker ins eigene Land holen. Betreiber amerikanischer Kernkraftwerke kauften 2024 insgesamt rund 25.400 t Uran in U₃O₈-Äquivalent. Rund 23.400 t davon waren ausländischen Ursprungs. Das entspricht etwa 92 %.

Eine Urangewinnung aus Meerwasser könnte langfristig eine zusätzliche heimische Rohstoffquelle schaffen. Sie würde jedoch nur den Anfang der Lieferkette abdecken. Für Konversion, Anreicherung und Brennelementfertigung sind weitere Anlagen erforderlich.

Die Exklusivlizenz bringt die seit Jahren untersuchte Fasertechnik nun näher an eine industrielle Erprobung. Ob daraus tatsächlich eine wirtschaftlich nutzbare Uranquelle entsteht, hängt nicht nur von der Chemie ab. Entscheidend sind vor allem die Lebensdauer der Fasern, ihre Uranaufnahme im realen Betrieb und die Kosten für Ausbringung, Bergung und Aufbereitung.

Quellen:

• Reuters: US company seeks to produce uranium for nuclear energy from seawater – Exklusivlizenz, Produktionsziel, Finanzierung, Zeitplan und Genehmigungsverfahren.
• SuperCritical Materials: Mitteilung zur DOE-Lizenz – Umfang der Lizenz, Beteiligung des PNNL und Angaben zum Unternehmen.
• PNNL: Seawater Yields First Grams of Yellowcake – Versuchsanordnung, Fasermenge, Yellowcake-Produktion und Urankonzentration im Meerwasser.
• US-Patent US10570027B2 – Aufbau, Herstellung, Adsorptionsleistung und Regeneration der Acrylfasern.
• DOE/OSTI: A highly efficient uranium grabber derived from acrylic fiber – Fachveröffentlichung zur Uranaufnahme, Sättigungszeit und Vanadiumselektivität.
• PNNL: Effect of biofouling on the performance of amidoxime-based polymeric uranium adsorbents – Auswirkungen biologischen Bewuchses auf die Uranaufnahme.
• PNNL: Temperature Dependence of Uranium and Vanadium Adsorption – Einfluss der Wassertemperatur auf Adsorptionsleistung und Selektivität.
• U.S. Energy Information Administration: Uranium Marketing Annual Report – Herkunft und Menge des von US-Kernkraftwerksbetreibern gekauften Urans.