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Seltene Erden : Alle wollen Neodym

Ohne dieses Zeug wäre die Energiewende nur noch durch weitgehende Deindustrialisierung zu schaffen. Bild: Science Photo Library

Einige Elemente aus der Gruppe der Seltenen Erden werden immer begehrter. China dominiert heute die Produktion dieser Metalle. Wenn das so bleibt, ist der geopolitische Aspekt daran noch das kleinste Problem.

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          Niemand setzt mehr auf Europium. Als hätte Europa nicht schon genug Imageprobleme, ist nun auch das nach unserem Heimatkontinent benannte chemische Element in der Krise. Dabei war es einmal der Superstar unter den Lanthanoiden – jenen 15 Elementen im Souterrain der Periodentafel, deren Oxide zusammen mit denen zweier darüber positionierten (Scandium und Yttrium) als „Seltene Erden“ bezeichnet werden. Denn es war das Europium, das von 1964 an in Mountain Pass im Süden Kaliforniens die erste Mine für Seltene Erden profitabel machte. Damals begann gerade der Siegeszug des Farbfernsehens, und in den roten Leuchtstoffen der Röhrenbildschirme war Europium unentbehrlich.

          Ulf von Rauchhaupt
          Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Das Zeitalter ist vorbei, und auch aus anderen Bereichen wurde das Element verdrängt. „Europium hat seit der Substitution durch LEDs in den meisten Anwendungen stark an Bedeutung verloren“, sagt Andreas Beuge von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover. Der Preisverfall ist entsprechend. Laut dem aktuellen Bericht des U.S. Geological Survey über mineralische Rohstoffe kostete ein Kilogramm Europiumoxid 2014 noch 822 Dollar, 2018 waren es nur noch 56.

          Die Seele der Supermagnete

          Nun ist in dem Mineral Bastnäsit, das in Mountain Pass gefördert wird, Europium nur in kleinen Mengen enthalten. Seltene Erden kommen zumeist gemeinsam vor. Bastnäsit etwa ist ein Fluorcarbonat der Elemente Cer, Lanthan, Yttrium und Neodym, und Letzteres legte einen kometenhaften Aufstieg hin. Denn Neodym ist ein Schlüsselmaterial gleich zweier technologischer Großtrends: der Digitalisierung und des Bemühens, Transportwesen und Energieversorgung einer industriellen Zivilisation ohne Rückgriff auf fossile Energieträger zu organisieren. Hier ist Neodym wichtiger als selbst Lithium. Denn es ist Bestandteil von Neodym-Eisen-Bor (NdFeB). Erst seit 1982 gibt es diesen Werkstoff, der starke permanente Magnetfelder in extrem kleinen Volumen erzeugt. Heute geht ohne NdFeB-Magnete gar nichts mehr: Sie erst ermöglichen moderne Datenspeicher, Elektromotoren oder Windgeneratoren.

          Die Mountain-Pass-Mine musste 2002 trotzdem erst einmal schließen. Der Grund dafür war Bayan Obo. Der Distrikt in der chinesischen Provinz der Innere Mongolei beherbergt das weltweit größte bekannte Vorkommen an Seltenen Erden. Hier lagern mindestens 100 Millionen Tonnen Bastnäsit und Monazit, ein Phosphat, das ebenfalls vor allem Cer, Lanthan und Neodym enthält. Fast 60 000 Tonnen Seltener Erden wurden dort 2017 gefördert, das sind fast die Hälfte der offiziellen chinesischen Förderquoten jenes Jahres, und die stellen immerhin 84 Prozent der Weltproduktion dar.

          „Opec on Steroids“

          Das nährt Befürchtungen, etwa im Hinblick auf den aktuellen Handelskonflikt der Chinesen mit der Trump-Administration. Vergangene Woche beschäftigte ein Kommentar in der Pekinger Zeitung Global Times die Weltpresse, dessen Autor behauptete, China kontrolliere mit den Seltenen Erden die Grundlage der modernen und insbesondere der militärischen Hochtechnologie. Damit hätte China am Ende auch den Finger auf unseren Smartphones. Doch diese Befürchtung war etwas übertrieben. In Smartphones enthalten allenfalls die Lautsprecher Neodym. Das für die heutige Telekommunikation wirklich essentielle Element Indium – ohne das es weder Flachbildschirme noch Touchscreens gäbe – ist kein Element der Seltenen Erden und auch kein Produkt der Bayan-Obo-Mine.

          Und natürlich gibt es auch außerhalb Chinas Vorkommen, etwa jene in Mountain Pass, auf die das Pentagon im Konfliktfall zurückgreifen könnte. Die könnten sogar schnell wieder wirtschaftlich werden, wenn China seine Seltenen Erden zurückhält. Als das Land 2010 anlässlich eines Streits mit Japan um eine Inselgruppe die Ausfuhr über das Ostchinesische Meer drosselte, hielt es das nicht lange durch. Im Jahr darauf schnellten der Preis etwa für Neodymoxid bis auf über 4000 Dollar pro Kilo, um bis 2013 wieder auf unter 1000 zu fallen. Schon vorher war die Mountain-Pass-Mine im Hinblick auf die absehbar steigende Nachfrage wieder aktiviert worden. Zwar mag China – wie es ein australischer Ökonom formulierte – in Sachen Seltener Erden eine „Opec on Steroids“ sein, doch in Wahrheit sitzt es eben nicht auf einem Großteil der Weltreserven, sondern laut U.S. Geological Survey nur auf knapp 37 Prozent davon.

          „Erden“ ist ein alter Name für Oxide (Sauerstoffverbindungen) von Metallen nicht ganz geklärter Zusammensetzung. Der schwarze Haufen ist Praseodymoxid. Von da aus im Uhrzeigersinn die Oxide von Cer, Lanthan, Neodym, Samarium und Gadolinium.
          „Erden“ ist ein alter Name für Oxide (Sauerstoffverbindungen) von Metallen nicht ganz geklärter Zusammensetzung. Der schwarze Haufen ist Praseodymoxid. Von da aus im Uhrzeigersinn die Oxide von Cer, Lanthan, Neodym, Samarium und Gadolinium. : Bild: AP

          Denn so selten sind die neuerdings begehrten Metalle gar nicht. Tatsächlich kommen noch die rarsten Lanthanoide – Thulium und Lutetium – in der Erdkruste häufiger vor als Silber oder Iod. Europium ist insgesamt ähnlich häufig wie Zinn und Neodym und nur unwesentlich seltener als Kupfer. Allerdings haben Seltene-Erden-Elemente eine eigentümliche Chemie. Zum einen weisen ihre Ionen abnorm große Durchmesser auf, und zwar umso größere, je leichter und damit häufiger das Element ist. Das macht es geochemischen Prozessen schwerer, sie zu abbauwürdigen Vorkommen zu konzentrieren. Wenn gewöhnliche Silikatmagmen erstarren, bleiben sie als inkompatible Elemente in der Schmelze zurück. Angereichert findet man sie vor allem in einem exotischen Typ magmatischen Gesteins, sogenanntem Karbonatit, der mehr aus Karbonaten als aus Silikaten besteht. Die großen Erzkörper leichter Seltener Erden hängen alle mit Karbonatiten zusammen, Bayan Obo und Mountain Pass ebenso wie die das größte Vorkommen außerhalb Chinas, Mount Weld in Australien, das erst 1988 entdeckt wurde und wo seit 2011 geschürft wird. Die „Seltenheit“ der Seltenen Erden ist also nicht die der Elemente selbst, sondern die ihrer Minerale.

          Giftig sind sie nicht, Dreck machen sie trotzdem

          Die Chemie der Seltenen-Erden-Metalle bringt aber noch zwei weitere für ihre wirtschaftliche Nutzung relevante Besonderheiten mit sich: Lanthanoide sind sich untereinander und den in der Periodentafel unter ihnen stehenden Actinoiden sehr ähnlich. Letztere sind sämtlich radioaktiv, aber nur zwei davon haben Halbwertszeiten in der Größenordnung des Alters der Erde und sind daher vergleichsweise häufig: Uran und Thorium. Diese sind daher zusammen mit ihren ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukten, darunter Radium, in den Erzen der Seltenen Erden immer in Spuren enthalten. Bei deren Verarbeitung fallen also schwach radioaktive Abfälle an.

          Auch die Ähnlichkeit der Seltenen-Erden-Elemente untereinander macht ihre Nutzung zu einer Herausforderung. Als Chemiker sie zwischen 1787 und 1907 entdeckten – erst 1947 kam dann das instabile Promethium dazu –, hatten sie lange ihre liebe Mühe damit, sie voneinander zu trennen. Neodym und Praseodym etwa galten mehr als vierzig Jahre lang als ein einziges Element, das man „Didym“ nannte. Der enorme Aufwand, die Seltenen Erden chemisch zu trennen und ihre Verbindungen in ausreichender Reinheit zu gewinnen, behinderte bis in die Nachkriegszeit ihre Erforschung und damit auch die ihrer möglichen Anwendungen. Insbesondere die weniger häufigen schwereren Lanthanoide schlummerten als chemische Kuriositäten in einem Dornröschenschlaf, aus dem sie erst moderne Verfahren mit speziell entwickelten komplexen Reagenzien weckten. Doch ihre großtechnische Trennung ist auch heute noch eine im Vergleich zur Verhüttung anderer Metalle aufwendige Angelegenheit. In mehrstufigen Verfahren werden dafür organische und wässerige Extraktionsmittel benutzt, von denen Letztere in der Regel Ammoniak enthalten. Chemiker der University of Pennsylvania schrieben im vergangenen Februar in einem Übersichtsartikel in Science, dass die Abwässer aus diesen Prozessen erhebliche Gefahrenpotentiale bergen, etwa die der Grundwasserkontamination oder Überdüngung. Immerhin sei es gelungen, den Verbrauch an solchen Chemikalien von sieben auf eine Tonne pro Tonne verarbeiteter Seltener Erden zu reduzieren.

          Auch kalifornisches Erz wird heute in China verarbeitet

          Neben Chinas Glück mit der Geologie und seinen geringeren Lohnkosten sind nun die dortigen lausigen Umweltstandards ein weiterer Wettbewerbsvorteil des Landes bei der Erzeugung von Neodym & Co. Auch wenn man sich im Reich der Mitte neuerdings um eine sauberere Seltene-Erden-Industrie bemüht: In dem autoritär geführten Land dürfte es für geschädigte Arbeiter oder Anwohner vergleichsweise schwierig bleiben, die Produzenten erfolgreich auf substantiellen Schadensersatz zu verklagen. In Mountain Pass war genau das nach Leckagen von Abwasserleitungen in den 1990er Jahren geschehen. Anschließend war die Erzverarbeitung dort eingestellt worden. Heute wird das Bastnäsit-Konzentrat aus der Mountain-Pass-Mine, die inzwischen teilweise in chinesischer Hand ist, in China weiterverarbeitet.

          Probleme mit dem Umwelt- wie mit dem Arbeitsschutz sind aber vielleicht noch ärger bei den schweren Seltenen Erden, deren Boom erst anrollt. Das betrifft insbesondere das Dysprosium. Dieses Element muss man dem NdFeB zusetzen, damit die Magnete nicht bereits bei Temperaturen von 80 Grad ihre Funktion verlieren. Das heißt: ohne Dysprosium keine Elektroautos. So dürfte sich der Bedarf an Neodym im Jahr 2035 um 76 Prozent gegenüber der 2013 produzierten Menge steigern. Vom Dysprosium aber wird dann mehr als dreimal so viel gebraucht werden, schätzt eine im Auftrag der Deutschen Rohstoffagentur erstellte Studie aus dem Jahr 2016. Wie andere schwere Seltene Erden wird auch Dysprosiumoxid heute überwiegend in China geschürft, und zwar im Süden des Landes und zum Teil in illegalen Gruben, wo die Einhaltung selbst der laschen chinesischen Arbeits- und Umweltstandards alles andere als garantiert ist. Einer 2016 in Resources Policy erschienenen Untersuchung zufolge kommen 40 Prozent der chinesischen Produktion an Seltenen Erden aus illegalen Bergbauaktivitäten. Wenn dieser Zustand andauert, dann schöpft die grüne klimafreundliche Zukunft, die der Westen sich erträumt, aus einer ziemlich dreckigen Quelle.

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