Die Suche nach Rohstoffen Wir haben’s doch

Metalle wie Tantal, Indium oder Neodym sind wichtige Ressourcen für die industrielle Gesellschaft heutigen Zuschnitts. Denn diese Elemente bilden die Basis gängiger Hightech-Produkte wie Mobiltelefone und Flachbildschirme, aber auch von Energiesparlampen, Windkraftanlagen oder Photovoltaikmodulen. Mit der fortschreitenden technischen Entwicklung - auch in den Schwellen- und Entwicklungsländern - öffnet sich jedoch eine Schere zwischen Bedarf und Verfügbarkeit dieser Rohstoffe. Einige Fachleute warnen bereits davor, dass manche Metalle in Zukunft knapp werden könnten. In Europa gibt es nur noch wenige Lagerstätten für diese Metalle, die wichtigsten Vorkommen liegen in Lateinamerika, Asien und Afrika. China, das mit etwa 90 Prozent die Weltproduktion an seltenen Erden wie Neodym - einem Metall für Starkmagnete - dominiert, hat die Ausfuhr in den vergangenen Jahren kräftig gedrosselt. Die Ressourcenfrage wird für alle Länder dringlicher, und längst ist ein globaler Wettlauf um die begehrten Metalle in Gang.

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Ambitionierte Ziele in Freiberg

Damit Deutschland bei diesem Rennen nicht völlig ins Hintertreffen gerät, hat die Bundesregierung im Oktober 2010 eine nationale Rohstoffstrategie ins Leben gerufen und ein Jahr später das Helmholtz-Institut Freiberg (HIF) für Ressourcentechnologie gegründet. Die zum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gehörige und eng mit der Bergakademie Freiberg kooperierende Einrichtung hat die Aufgabe, neue Technologien zur effizienten Nutzung von Ressourcen zu entwickeln. Dazu gehören etwa material- und energieeffiziente Verfahren zur Aufbereitung von Metallen. Außerdem suchen die Wissenschaftler nach Wegen, um Metalle aus Elektronikprodukten wiederzugewinnen. Ein weiterer Fokus liegt auf Rohstoffen aus heimischen Lagerstätten. Nun hat das Helmholtz-Institut im sächsischen Freiberg eine erste Bilanz seiner Aktivitäten vorgelegt.

Wertvolle DDR-Relikte

Rund um Freiberg, dem Sitz der ältesten Montanuniversität der Welt, haben die Wissenschaftler ein ergiebiges Betätigungsfeld gefunden. Denn im Erzgebirge wurde über Jahrhunderte hinweg Bergbau betrieben. Was nach dem damaligen Stand der Technik nicht verwertbar war und als wirtschaftlich uninteressant galt, wurde in Halden gelagert. Unter heutigen Gesichtspunkten sind diese Hinterlassenschaften durchaus interessante Quellen für Metalle wie Lithium, Zinn oder Indium. Deshalb untersuchen die Freiberger Forscher unter anderem Spülhalden in Altenberg, wo zu DDR-Zeiten Zinn gewonnen wurde. Die Reste aus der Aufbereitung des Erzes wurden in Spülteichen gelagert, die zum Teil mehrere Fußballfelder groß sind. „Bis zu fünfzig Prozent des Zinns stecken noch in diesen mittlerweile eingetrockneten Halden“, sagt Jens Gutzmer, Direktor des Helmholtz-Instituts für Ressourcentechnologie. Ähnlich verhält es sich in Freiberg, wo in den Spülteichen erhebliche Mengen an Zink, Blei, Germanium und Indium vermutet werden.

Die Sanierung ist mit inbegriffen

Mit Erkundungsbohrungen wollen die Forscher des Helmholtz-Instituts und der Bergakademie Freiberg nun untersuchen, wie die Metalle vorliegen, in welchen Konzentrationen und wie ihre Verteilung innerhalb der Halden ist. Anschließend soll ein technisches Konzept für die wirtschaftliche Gewinnung entwickelt werden. Dabei haben Gutzmer und seine Kollegen auch die Umweltaspekte im Blick. Denn viele der alten Spülteiche haben keine geeignete Abdichtung nach unten, das Regenwasser sickert einfach durch und schwemmt Schadstoffe in den Untergrund. „Wenn das aufgehaldete Material wieder aufgenommen wird, um die wertvollen Metalle zu entziehen, kann man die Standorte gleichzeitig ökologisch sanieren“, erklärt Gutzmer.

Begehrtes Indium-Zinn-Oxid

Das gewonnene Zinn ließe sich beispielsweise für die Herstellung von LCD-Bildschirmen und Leuchtdioden verwenden, ebenso wie das Indium aus den Spülhalden. In all diesen Produkten steckt Indium-Zinn-Oxid (kurz ITO), ein leitfähiges und zugleich transparentes Material, das als Anode die Basis von Flüssigkristalldisplays bildet. Am Beispiel von Indium wird besonders deutlich, wie es zu Engpässen in der Rohstoffversorgung kommt. Mehr als 80 Prozent des gewonnen Metalls werden heute zu ITO und weiter zu Flachbildschirmen verarbeitet. Für Indium gibt es allerdings keine reinen Lagerstätten wie für Kupfer oder Blei. Sondern das Metall kommt nur zusammen mit Zink vor, und stets nur in geringen Mengen. Parallel zur gestiegenen Nachfrage kletterte deshalb der Preis für Indium von 60 Dollar im Jahr 2002 auf den heutigen Wert von rund 500 Dollar pro Kilogramm.

Ressourcenschatz Altgeräte

Die als Hightech-Metalle bezeichneten Elemente werden für viele moderne Produkte benötigt - oft nur in äußerst geringen Mengen. In einem Handy oder Smartphone stecken beispielsweise 30 Milligramm Gold und zehn Milligramm Palladium, dazu Kobalt, Kupfer, Neodym und andere Metalle. Das erscheint wenig. Doch 41 Mobiltelefone enthalten so viel Gold, wie in einer Tonne Erz steckt. Und weil ständig neue Modelle entwickelt werden, hält die Nachfrage nach den Metallen an. Dabei liegen in Deutschland schätzungsweise mehr als 80 Millionen ausrangierter Handys ungenutzt herum. Und nur fünf Prozent aller Altgeräte werden einem geregelten Recycling zugeführt. Die Metalle gehen auf diese Weise verloren.

Das Recycling von Metallen aus Altprodukten ist grundsätzlich eine wichtige Rohstoffquelle. Doch Metalle wie die seltenen Erden liegen oft nur in geringen Konzentrationen vor. Bestehende Aufarbeitungswege wie für Kupfer sind auf Massenströme ausgelegt und vernachlässigen die Sondermetalle bislang weitgehend. „Wir benötigen unbedingt Recyclingtechnologien für Hightech-Metalle, die wirtschaftlich sind“, sagt Jens Gutzmer. Mit bestimmten Materialmischungen versuchen die Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Freiberg, den technischen und den Energieaufwand bei der Aufarbeitung von Altgeräten zu senken. So testen die HIF-Forscher derzeit ein Recycling-Verfahren, bei dem sie ausgediente LCD-Bildschirme mit alten Fernsehröhren kombinieren. Die Flachbildschirme enthalten Indium-Zinn-Oxid, während die Röhren aus Bleiglas bestehen. Beide Materialien werden zusammen eingeschmolzen und chemisch reduziert, dabei setzt sich metallisches Blei unter der Glasschmelze ab. Dieses Blei fängt weitere Metalle ein, die sich so aus der Glasschmelze abtrennen lassen. Noch suchen die Wissenschaftler die richtige Material-Kombination, doch es zeichnet sich bereits ab, dass mit dem Verfahren das Blei fast vollständig wiedergewonnen werden kann, dazu der größte Teil des Indiums und weitere Spurenmetalle wie Antimon und Zinn.

Bakterien als Helferlein

Deutschland gilt gemeinhin als rohstoffarmes Land. Für Gutzmer eine Fehlauffassung: „Hier gab und gibt es Lagerstätten von Weltrang.“ Zum Beispiel für Kupfer: Bei Spremberg in der Lausitz existiert eine Lagerstätte mit schätzungsweise 1,5 Millionen Tonnen des Metalls. Schon zu DDR-Zeiten wurde das Vorkommen erkundet. In bis zu 1300 Metern Tiefe erstreckt sich ein 15 Kilometer langes Flöz aus Kupferschiefer, das auch Edelmetalle wie Palladium, Silber und Gold enthält. Kupfer ist zwar kein Hightech-Metall, aber unentbehrlich für Kabel und Rohre, und die Preise für Kupfer sind in den vergangenen Jahren rapide gestiegen. In ein bis zwei Jahren soll mit dem Kupferabbau in der Lausitz begonnen werden.

Die Forscher des HIF testen derzeit neue Verfahren, die dabei zum Zuge kommen könnten. Bakterien sollen dazu verwendet werden, das wertvolle Kupfer aus dem Erz zu lösen. Das sogenannte Biomining gilt als umweltfreundlich und effizient, da statt einem energieintensiven Hochofen lediglich eine Art Tank betrieben werden muss. Der wird mit Millimeter großen Bröckchen des zermahlenen Erzes gefüllt, hinzu kommen Wasser und die Bakterien. Die Mikroorganismen fressen sich durch das Gestein und bringen dabei das Kupfer in Lösung. Neu ist das Verfahren nicht, in Chile etwa wird es im Großmaßstab betrieben, unter Zusatz von Säure. Doch der Lausitzer Kupferschiefer ist stark karbonathaltig. „Die Säure würde lediglich das Karbonat angreifen“, sagt Jens Gutzmer. „Deshalb müssen wir im Neutralen oder Alkalischen arbeiten.“ In Vorversuchen werden nun Bakterienstämme ausgesucht, die in diesem Milieu gedeihen.

Auf Spurensuche mit dem Helikopter

Mehr als achthundert Jahre ist es her, dass im Raum Freiberg das Berggeschrei einsetzte, also die ersten Silberfunde erfolgten, und die Kunde davon sich wie ein Lauffeuer verbreitete. „Silberklumpen werden heute nicht mehr auf dem Acker gefunden“, winkt Jens Gutzmer ab, „aber wir sollten wissen, ob wir auf anderen Schätzen sitzen.“ Erkundungstechnologien - viele sind in Deutschland entwickelt worden - sollten seiner Meinung nach auch hier genutzt werden. Deshalb gehört es auch zu den weiteren Vorhaben des Helmholtz-Instituts, gemeinsam mit verschiedenen Partnern das Rohstoffpotential des Erzgebirges zu erkunden. Als vielversprechend gilt der „Geyersche Wald“, ein etwa 110 Quadratkilometer großes Revier, in dem Rohstoffvorkommen etwa von Indium und Zinn vermutet werden.

Aus einem Helikopter heraus, der in etwa 35 Metern Höhe fliegt, wollen die Forscher demnächst geophysikalische Daten erheben. Dazu werden aus dem Hubschrauber elektromagnetische Felder ausgesendet. Das wieder aufgefangene Signal liefert Daten über die Strukturen in bis zu 500 Metern Tiefe, wie etwa Dichte oder Leitfähigkeit des Erdreichs. Die gesammelten Informationen werden in einem 3D-Modell zusammengeführt. Anomalien deuten auf Erzkörper hin und können mit Probebohrungen weiter untersucht werden. Das Forschungskonzept des HIF umfasst die gesamte Wertschöpfungskette von der Erkundung bis zum Recycling metallischer Rohstoffe. Damit schließt es eine Lücke in der deutschen Forschungslandschaft. Die Wirtschaft soll langfristig und stabil mit Hightech-Metallen versorgt werden. Wo die begehrten Rohstoffe nicht ausreichend verfügbar sind, ist auch Ersatz denkbar: Autohersteller verwenden teilweise wieder Ferrit-Magnete statt Hightech-Magnete, die auf den teuren und knappen seltenen Erdmetallen basieren. Gerade auf dem Gebiet der Substitution bleibt für die Materialwissenschaftler nach Ansicht von Gutzmer noch viel zu tun.