Seltene Erden: Neue Lasertechnik findet kritische Rohstoffe im Giftmüll
US-Forscher weisen Seltene Erden in Pflanzen nach, die auf giftigen Böden wachsen. Ihr Fluoreszenz-Verfahren könnte Mülldeponien als Rohstoffquelle erschließen.
Kermesbeeren im Labor: Die Pflanzen reichern Seltene Erden aus kontaminierten Böden an. Eine neue Fluoreszenz-Technik misst erstmals, wie viel davon in ihrem Gewebe steckt.
Foto: External Affairs
Ohne Seltene Erden wie Dysprosium, Neodym oder Terbium laufen weder Handys noch Windräder. Doch die Rohstoffe sind schwer zu gewinnen. Das liegt nicht an ihrer Seltenheit: Der Name täuscht. Es liegt daran, dass sie in der Natur kaum in konzentrierter Form vorkommen. In der Folge beziehen die USA und Europa den Großteil ihres Bedarfs aus China, das allein 87 % der weltweiten Dysprosium-Reserven kontrolliert.
Nun haben Forscher der North Carolina State University eine Technik entwickelt, die Seltene Erden in einer bislang kaum genutzten Quelle erschließen könnte: in kontaminierten Böden wie Flugasche-Deponien und Abraumhalden. An diesen Orten gibt es zwar Seltene Erden, aber in niedrigen Konzentrationen, die einen regulären Abbau unwirtschaftlich machen. Mit Pflanzen lassen sie sich allerdings herausholen, sofern man weiß, wann sich die Ernte lohnt. Zu diesem Zweck haben die US-Forscher nun eine neue Lasertechnik entwickelt.
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Pflanzen als Rohstoffsammler
Der zugrunde liegende Ansatz heißt Phytomining. Das Prinzip: Bestimmte Pflanzenarten nehmen Seltene Erden über ihre Wurzeln aus dem Boden auf und reichern sie in ihrem Gewebe an. Dadurch sammeln sich die Rohstoffe dort in höheren Konzentrationen an als im Boden. Das Prinzip ist aus der Bodensanierung bekannt: Auch Kürbisgewächse transportieren Schadstoffe aus dem Boden in ihr Gewebe, wie japanische Forscher kürzlich nachwiesen. Beim Phytomining geht es allerdings nicht um Gift, sondern um wertvolle Metalle. Die können nach der Ernte chemisch aus dem Pflanzenmaterial extrahiert werden.
Bislang ist es nur schwer zu erraten, wann die Pflanze reif zur Ernte ist. Um die Konzentration Seltener Erden in einer Pflanze zu messen, muss man sie zerstören, also ernten und im Labor analysieren. Geschieht dies zu früh, hat man Material verschwendet. Zudem reichern verschiedene Pflanzenarten die Rohstoffe unterschiedlich stark und schnell an, was ein effizientes Screening zusätzlich erschwert.
Dieses Messproblem wollen die Forscher um Colleen Doherty und Michael Kudenov jetzt gelöst haben. Dabei fokussierten sie sich auf ehemalige Industriestätten, an denen Seltene Erden als Nebenprodukt anfallen: Kohlekraftwerke etwa hinterlassen Flugasche, in der sich die Metalle anreichern. Ähnliches gilt für saure Grubenwässer aus dem Bergbau. Die Rohstoffe sind da, nur eben in niedriger Konzentration verteilt über Millionen Tonnen kontaminiertes Material. Darauf wachsende Pflanzen nehmen sie auf, und die Lasertechnik macht sie sichtbar.
So funktioniert die Lasertechnik
Die Methode nutzt ein Prinzip der Fluoreszenzspektroskopie. „Pflanzenmaterial fluoresziert über ein breites Wellenlängenspektrum“, erklärt Doherty. „Die Herausforderung war, die Eigenfluoreszenz der Pflanze von der Fluoreszenz der Seltenen Erden zu unterscheiden.“
Dazu wählten die Forschenden ein dreischrittiges Verfahren:
- Zunächst wird das Pflanzengewebe äußerlich mit Natriumwolframat behandelt. Die Substanz reagiert mit dem Dysprosium in der Pflanze und verstärkt dessen Fluoreszenzsignal. Dies erfolgt so vorhersag- bzw. berechenbar, sodass sich der Verstärkungseffekt herausrechnen lässt.
- Dann trifft ein tiefer UV-Laser auf das Gewebe. Dabei fluoreszieren sowohl die Pflanze selbst als auch die darin enthaltenen Seltenen Erden. Der entscheidende Unterschied: Die pflanzliche Eigenfluoreszenz (Autofluoreszenz) klingt schnell ab, während das Dysprosium länger nachleuchtet.
- Im letzten Schritt wartet man, bis das Pflanzensignal abgeklungen ist, und misst nur noch das verbleibende Licht. Die Wellenlänge verrät, welches Element vorliegt, die Intensität verrät die Konzentration. Die Nachweisgrenze liegt bei 0,2 Mikromol in der Pflanzenmatrix. Die Ergebnisse wurden laut den Forschern mit ICP-Massenspektrometrie gegengeprüft und zeigten eine starke Korrelation.
Das Verfahren soll sogar zwischen verschiedenen Pflanzenteilen differenzieren: In der Blattader (Midrib) fanden die Forscher demnach durchgehend höhere Dysprosium-Konzentrationen als im umgebenden Blattgewebe (Lamina). Das ist ein Indikator dafür, wie die Pflanze die Seltenen Erden in ihrem Innern verteilt.
Warum das Verfahren so nützlich ist
Der wichtigste Vorteil: Die Methode ist zerstörungsfrei. Dieselbe Pflanze kann wiederholt gemessen werden, zum Teil über Wochen und Monate hinweg. So lässt sich der Erntezeitpunkt bestimmen, an dem die Konzentration am höchsten ist. „Das ist entscheidend, um die Ausbeute an Seltenen Erden zu maximieren“, so Doherty.
Die Forscher konnten die Dysprosium-Fluoreszenz sogar mit einer handelsüblichen Smartphone-Kamera unter UV-LED-Beleuchtung sichtbar machen, teils ohne direkten Probenkontakt. Das eröffnet perspektivisch die Möglichkeit, große Pflanzenbestände auf Seltene Erden zu screenen.
Dabei lassen sich auch verschiedene Pflanzenarten screenen. Für ihre Studie testeten die Forscher zwei Arten der Kermesbeere (Phytolacca acinosa und P. americana), die als besonders gute Akkumulatoren für Seltene Erden gelten. Dysprosium stand im Fokus, weil es ein wichtiger Bestandteil von E-Auto-Motoren, Windturbinen und Handys ist. Zudem fluoresziert es besonders lang, was die Messung erleichtert.
Welche Elemente noch funktionieren
Grundsätzlich könnten sich aber auch andere Elemente aufspüren lassen, so die Forscher. Für Terbium und Europium lägen bereits vielversprechende Vorversuche vor. Für Erbium und Neodym wären laut Kudenov nur geringfügige Anpassungen am Versuchsaufbau nötig. Für weitere Elemente sei es noch zu früh.
Die Grenzen
Wie man die Seltenen Erden nach der Ernte effizient aus dem Pflanzenmaterial herauslöst, war nicht Gegenstand dieser Studie. Auch die Frage, ob Phytomining wirtschaftlich mit konventionellem Bergbau konkurrieren kann, bleibt offen. Die Konzentrationen in den Pflanzen sind zwar deutlich höher als im Boden, aber noch immer gering im Vergleich zu abbauwürdigen Erzlagerstätten.
Zudem wurde die Methode bislang nur im Gewächshaus und an wenigen Arten getestet, nicht im Freiland. Wind, Wetter, Bodenvariabilität und wechselnde Lichtverhältnisse könnten die Messung im Feld erschweren. Auch ob die Nachweisgrenze bei anderen Pflanzenarten und in Holzgewächsen gleich bleibt, ist offen.
Warum es trotzdem ein wichtiger Schritt ist
Die Lasertechnik ist Teil eines größeren Projekts, das Doherty und Kudenov an der NC State leiten. Ziel ist es, den US-Bedarf an Seltenen Erden teilweise aus heimischen Quellen zu decken – und gleichzeitig die Sanierung kontaminierter Flächen wie Flugasche-Deponien und Bergbau-Altlasten mitzufinanzieren. Phytomining wäre also eine Ergänzung zum konventionellen Bergbau, die Rohstoffförderung und Umweltsanierung zugleich leisten könnte.
Auch in Kohleminen schlummern Seltene Erden, die US-Forscher mit neuen Verfahren bergen wollen. Die neue Lasertechnik liefert somit womöglich ein weiteres Werkzeug im wachsenden Arsenal der westlichen Rohstoffstrategie.
„Wir sind optimistisch, dass dies einen echten Unterschied machen kann – für unsere Industrie und für die Umwelt“, sagt Doherty. Das Projekt wird unter anderem von der Darpa, der Forschungsagentur des US-Verteidigungsministeriums, sowie dem Office of Surface Mining gefördert – ein Hinweis auf die strategische Bedeutung, die Washington dem Thema beimisst.
Die Studie „Detection and Quantification of Dysprosium in Plant Tissues“ ist als Open-Access-Artikel in der Aprilausgabe des Fachjournals Plant Direct erschienen.
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