Seltene Erden: Weltraummaterial aus dem Labor als Lösung für Ressourcenprobleme?

Ein Team der University of Cambridge und Forschende aus Österreich haben herausgefunden, wie man Seltene Erden ersetzen kann, um einen Hochleistungsmagneten herzustellen. Sie haben das bisher nur aus Meteoriten bekannte Mineral Tetrataenit (eine Legierung aus Eisen und Nickel im Verhältnis 1:1, mit einer extrem geordneten Atomstruktur) im Labor erzeugt.

Die Hochleistungsmagneten werden u.a. für Elektromotoren und bei Generatoren von Windrädern eingesetzt. Für die Herstellung von diesen Magneten braucht man bislang Seltene Erden. Künftig könnte mit Hilfe des künstlich hergestellten Tetraenit Supermagneten bauen, ohne dabei Seltene Erden einzusetzen. Die neue Technik ist bereits zum Patent angemeldet.

Tetrataenit als Ersatz für Seltene Erden?

Wichtig bei Tetrataenit sind seine strukturbedingten magnetischen Eigenschaften. Da es um einen starken Permanentmagnet handelt, kann er ähnliche Werte wie Legierungen mit Seltenen Erden erreichen. „Tetrataenit ist ein aus Eisen und Nickel bestehendes Mineral mit spezieller, tetragonaler Struktur, das erstmals in Eisenmeteoriten nachgewiesen wurde. Die Struktur von Tetrataenit entsteht normalerweise nur, wenn ein Eisen-Nickel-Gemisch nach seiner Entstehung extrem langsam abkühlt, mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,01 Grad Celsius pro Jahr”, erklärte Baran Sarac vom Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Leoben in einer Pressemitteilung.

Seinem Team ist es gelungen, Tetrataenit im Labor durch die Zugabe von kleinen Mengen an Phosphor und Kohlenstoff zu einer Schmelze aus Eisen und Nickel herzustellen. Die magnetischen Eigenschaften des Materials wurden danach von Forschenden der Universität Cambridge geprüft. “Wir konnten die Entstehung von Tetrataenit im Vergleich zum Prozess, der in Meteoriten abläuft, um 11 bis 15 Größenordnungen beschleunigen. In einem Vakuum haben wir 1 bis 3 Millimeter lange Zylinder gegossen, die in wenigen Millisekunden auskühlen”, erklärte der Wissenschaftler.

Der einfache Herstellungsprozess habe den Forschenden ermöglicht, „in relativ kurzer Zeit eine Produktion im industriellen Maßstab zu erreichen“, was für die Produktion von leistungsstarken Magneten ohne Seltene Erden von Interesse ist. „Wir sind bereits in Kontakt mit Start-ups und großen Unternehmen, die Interesse an unserer Methode haben”, sagte Baran Sarac und deutete hiermit auf die Perspektiven für die Anwendung hin.

Eine starke Importabhängigkeit von China

Die besten Permanentmagnete enthalten Seltene-Erden-Elemente. Dabei werden Seltene-Erden zum größten Teil ausschließlich in China abgebaut. So wie die Seltenen Erden Neodym und Dysprosium. „Seltene-Erden-Lagerstätten gibt es anderswo, aber der Bergbaubetrieb ist sehr störend: Man muss eine riesige Menge an Material extrahieren, um eine kleine Menge Seltener Erden zu gewinnen“, so wird Professor Lindsay Greer vom Department of Materials Science & Metallurgy in Cambridge in den Medien zitiert. Deshalb wurde schon vor Jahren nach alternativen Materialien gesucht, die keine Seltenen Erden benötigen.

Strategische und militärische Bedeutung

Materialien, die auf Basis von Seltenen Erden hergestellt werden, werden bei vielen Hightech-Anwendungen gebraucht. Wie bereits berichtet, werden solche Magnete u.a. für Elektromotoren und bei Generatoren von Windrädern eingesetzt. Mit anderen Worten: Seltene Erden haben eine strategisch wirtschaftliche Bedeutung. Und mehr noch: Sie sind auch für die militärische Sicherheit wichtig. Denn für die militärischen Technologien sind sie unentbehrlich. Das US-Verteidigungsministerium hat noch vor einigen Jahren nach alternativen Quellen für den wichtigen Rohstoff gefahndet und nach jeder Quelle außerhalb Chinas gesucht. Schließlich gehört die Rüstungsindustrie zu den wichtigen Einsatzgebieten von Seltenen Erden.

Was zählt zu den Seltenen Erden?

Im Periodensystem der chemischen Elemente nehmen Seltene Erden eine Sonderstellung ein. Darunter sind: Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu).

Allerdings sind diese Elemente gar nicht so selten, wie man vom Namen her vielleicht ableiten könnte. Einige davon sind in der Erdkruste häufiger zu finden als Blei oder Gold und Platin. Nur das Element Promethium (Pm) gilt tatsächlich als selten. Das Problem liegt daran, dass man sie nur sehr schwer gewinnen bzw. abbauen kann, das Verfahren zur Aufarbeitung der Erze ist sehr kompliziert und umweltbelastend.

Dabei begleiten uns Materialen, die damit hergestellt werden, tagtäglich: sei es als Legierungsbestandteil für Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken oder als Magnete in Kopfhörern.

Durch die Entwicklung der Technologien wird der Bedarf, das heißt auch die Nachfrage nach diesen Metallen in den kommenden Jahrzehnten sehr stark steigen. Die Alternative, die Forschende angeboten haben, könnte dabei eine gute Lösung sein.

Europas größtes Vorkommen seltener Erden entdeckt

Im hohen Norden von Schweden sind bedeutende Vorkommen an seltenen Erden entdeckt worden, berichtet dpa in Bezug auf schwedische Bergbaukonzern LKAB. In der Nähe von Kiruna hat man über eine Million Tonnen an Seltenerdoxiden gefunden. Diese Lagerstätte könnte zu einem bedeutenden Baustein für die Herstellung wichtiger Rohstoffe werden, teilte der Konzern Anfang Januar mit. Nun muss die Abbauzulassung beantragt werden.