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über Seltene Erden
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Begriffsgeschichte
Seltene Erden: Eine Gruppe aus 17 chemischen Elementen
Als Seltene Erden werden die Gruppe der sogenannten LanthanoidenEine Gruppe von 15 Elementen mit chemisch sehr ähnlichen Eigenschaften. (Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium und das namensgebende Lanthan) sowie die beiden Elemente Scandium und Yttrium bezeichnet.
Als Energiewende wird der Umbau des Energie-Systems von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Quellen bezeichnet.
„Erden“ als historischer Begriff für Oxide
Der Begriff der Seltenen Erden ist historisch zu sehen, da sie zunächst in seltenen Mineralien wie Cerit oder Gadolinit entdeckt wurden. Zudem beschreibt er keine „Erden“ nach dem heutigen Verständnis, sondern vielmehr eine alte, sowohl im Französischen als auch im Deutschen benutzte Bezeichnung für Oxide, diejenige Form, in der die Elemente erstmals isoliert wurden. Im Fall der Elemente der Seltenen Erden handelt es sich bei ihren Oxiden um Pulver, die meist braun oder schwarz sind, teilweise aber deutlich heller, wie zum Beispiel bei Neodym.
Traditionell erfolgt eine Aufteilung in leichte (Ordnungszahlen 57-63) und schwere Seltenerdelemente (Ordnungszahl 64-71). Scandium (Ordnungszahl 21) wird derweil den leichten, Yttrium (Ordnungszahl 39) den schweren Vertretern der Rohstoffgruppe zugeordnet, da ihre chemischen Eigenschaften vergleichbar sind. Diese Unterteilung wird in der Literatur nicht durchgängig eingehalten, zum Teil ist auch eine dritte Gruppe, die der mittelschweren Seltenerdelemente, zu finden. Grundsätzlich sind die Vertreter der schweren Seltenen Erden deutlich seltener und ihre Aufbereitung aufwendiger als bei den leichten, entsprechend höher sind ihre Marktpreise.
Interessante Fakten
Entdeckung
Turbulente Reise von der Entdeckung vom ersten bis zum 17. Element
Die Entdeckung der Seltenerdelemente zog sich – bis auf ein Element – über einen Zeitraum von etwa 120 Jahren hin, von Yttrium im Jahr 1794 bis zu Lutetium 1907. 40 Jahre, nachdem Lutetium entdeckt wurde, konnten Wissenschaftler des Oak Ridge National LaboratoryForschungseinrichtung im US-Bundesstaat Tennessee. in den USA mit Promethium die letzte Lücke im Periodensystem schließen.
Von zentraler Bedeutung ist das schwedische Bergwerk Ytterby in der Nähe Stockholms. Dort machte der schwedische Offizier Carl Axel Arrhenius 1787 ein schwarzes Erz ausfindig, in dem später Yttrium und weitere Seltenerdelemente entdeckt wurden.
Entscheidend bei der Entdeckung aller Seltenen Erden war eine Trennmethode, die Jöns Jakob Berzelius und der schwedische Chemiker Carl Gustav Mosander entwickelten und damit die Forschung deutlich voranbrachten. Zudem nimmt die Entwicklung der SpektralanalysePhysikalische Methode, um einzelne Elemente sichtbar zu machen. im Jahr 1859 eine Schlüsselrolle in der Geschichte dieser Rohstoffe ein.
Eigenschaften
Chemische Eigenschaften aller Seltenerdmetalle sehr ähnlich
In elementarer Form sind Seltenerdmetalle eisengrau bis silbrig glänzend und relativ weich. Sie sind reaktionsfreudig und oxidieren schnell an der Luft. Einige der Elemente wie Terbium und Ytterbium sind in fein verteiltem Zustand pyrophor, sie können sich also selbst entzünden.
Die stets im Verbund vorkommenden Elemente sind sich in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich. Das macht ihre Trennung und Bereitstellung für maßgeschneiderte Anwendungen aufwendig und komplex. Für einige Einsatzgebiete wie etwa in der Stahlherstellung wird daher zum sogenannten Mischmetall gegriffen, einer kostengünstigen Legierung, die zu 98 Prozent aus Seltenerdmetallen besteht und zudem geringe Mengen Eisen und Magnesium enthält.
Fast alle Vertreter der Elementgruppe sind paramagnetischErst durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes entwickeln sich magnetische Kräfte., die schweren Vertreter bei tiefen Temperaturen sogar ferromagnetischEigenschaft von Stoffen, die für die Dauer des Kontakts mit einem Magneten und kurz danach selbst magnetische Eigenschaften aufweisen..
Anwendungsgebiete
Seltene Erden sind unerlässlich für die Technologien des 21. Jahrhunderts
Zukunftstechnologien wie Autonomes Fahren, magnetische Kühlsysteme und Drohnen beziehungsweise zivile Luftfahrzeuge für den Güter- und Personenverkehr, die aktuell weiterentwickelt werden, benötigen zum Teil ebenfalls Seltene Erden, etwa für die Herstellung von Lasern oder Permanentmagneten. Die Bedeutung dieser kritischen Rohstoffe könnte daher künftig noch wachsen.
Permanentmagnete
Katalysatoren
Polituren
Legierungen
Gewinnung
Es gibt unterschiedliche Vorkommen von Seltenen Erden
Hauptlagerstätten für Seltene Erden: Karbonatitintrusionen und Ionenadsorptionstone
Karbonatitintrusionen machen circa 70 Prozent der weltweiten Seltenerdoxid-Produktion aus. Beispiele für diese Art der Lagerstätten sind die Minen Bayan Obo in China, Mountain Pass in den USA und Mt. Weld in Australien. In Bayan Obo wird primär Eisenerz abgebaut, Seltene Erden werden als Nebenprodukt gewonnen. Mit 69.400 Tonnen kamen aus Bayan Obo 2020 circa 32 Prozent der Weltfördermenge. Mountain Pass hatte im selben Zeitraum eine Fördermenge von 39.200 Tonnen und Mt. Weld 24.000. Auch das 2023 entdeckte Seltenerdvorkommen Per Gejer im schwedischen Kiruna befindet sich in einer Mine, in der primär Eisenerz abgebaut wird und künftig Seltene Erden als Nebenprodukt gewonnen werden könnten. Neben den Karbonatitintrusionen sind mit 16 Prozent der globalen Seltenerdoxid-Förderung Ionenadsorptionstone die zweite bedeutende Quelle an Seltenen Erden, besonders für schwere Seltene Erden.
Gewinnungsprozess
Aufwendige Gewinnung, unterschiedliche Prozesse
Der Gewinnungsprozess von Seltenen Erden ist sehr aufwendig und komplex. Er umfasst abhängig vom Ausgangsmaterial eine Vielzahl an physischen und chemischen Trennvorgängen. Sie haben das Ziel, die einzelnen Elemente dieser Rohstoffgruppe nacheinander selektiv voneinander zu separieren, so dass sie für die weitere Aufbereitung bereitstehen. So erfolgen die unterschiedlichen Gewinnungsprozesse im Detail:
Bei der herkömmlichen Gewinnung von Seltenen Erden aus Karbonatiten wird das im Gestein enthaltene Erz zunächst mechanisch herausgebrochen und anschließend zerkleinert. Das gebrochene Erz wird danach erst durch Zugabe von Wasser nass gemahlen und diese Erz-Masse dann durch Magnetscheidung von magnetischen Stoffen wie Schwermetallen getrennt. Durch die anschließende Flotation, bei der die restliche Masse in eine wässrige Lösung gegeben wird und durch unterschiedliche Dichten entweder schwimmt (engl. Float) oder absinkt, erhält man das Zwischenprodukt Seltenerd-Mischkonzentrat. In diesem Konzentrat ist je nach Ausgangsmaterial eine unterschiedliche Konstellation an Seltenerdelementen enthalten.
Ionenadsorptionstone sind selten und werden derzeit vor allem in Südchina und Myanmar gefördert. Dieser Lagertyp kann durch direkte Laugung abgebaut werden, was sich einfacher gestaltet als herkömmlicher Bergbau. Hierbei werden Laugen, meist Ammoniumsulfat, seltener Schwefelsäure, in ein Bohrloch gepumpt und über ein zweites Bohrloch die gelösten Erze abgepumpt. Die Tone kommen zudem weniger oft in Verbindung mit radioaktiven Stoffen vor, wie es zum Beispiel bei Karbonatiten der Fall ist. Das bedeutet, dass Ionenadsorptionstone eine umweltfreundlichere Option darstellen, vorausgesetzt, dass die Laugungsreagenzien erneut aufgefangen und wiederverwertet werden. Dies ist vor allem in illegalen Minen fraglich.
Da die einzelnen Seltenen Erden unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen und somit meistens nur eine individuelle benötigt wird, müssen die einzelnen Elemente voneinander getrennt werden. Dazu wird das Seltenerd-Mischkonzentrat chemisch aufgespalten. Durch Zugabe von Schwefelsäure wird das Konzentrat zunächst geröstet und gelaugt.
Nach einer Fällung mittels Amoniumhydrogencarbonat, bei der sich ein Seltenerdgemisch als Niederschlag absetzt, folgt eine erneute Laugung mit Salzsäure, was die eigentliche Trennung der einzelnen Seltenen Erden, die mehrstufige Solventextraktion, vorbereitet. Bei dieser Extraktionsmethode, die auch Flüssig-Flüssig-Extraktion genannt wird, zielt man darauf ab, einen gelösten Stoff aus einem Flüssigkeitsgemisch mithilfe eines Lösungsmittels zu entfernen. Die Solventextraktion hat verschiedene Stufen, da die Seltenen Erden unterschiedlich auf die Lösungsmittel reagieren.
Vorkommen
Abbau Seltener Erden: Konzentration in Lagerstätten entscheidet über Wirtschaftlichkeit
Neben diesen Primärabbaustätten gibt es noch Vorkommen von anderen Schwermetallen wie Zink, Eisen, Mangan und Kupfer, bei denen Monazit und Xenotim in Seifen enthalten sind. Da bei diesen Förderstätten jedoch andere Metalle im Fokus stehen, werden Seltene Erden bisher nur selten mitgewonnen. Hierbei sind außerdem häufig radioaktive Stoffe wie Uran oder Thorium enthalten. Diese Produktion geschieht in vielen Ländern rund um die Erde in geringen Mengen (unter 1.500 Tonnen). Beispielsweise in Vietnam, USA, Malaysia, Thailand, Australien, Mosambik, Südafrika und Brasilien. Indien und Madagaskar sind hierbei die größten Förderer von Schwermineralseifen und produzieren rund 3.000 Tonnen Seltenerdoxid jährlich.
Peralkaline Lagerstätten, Magmatite oder Magmen, die einen Überschuss an Alkalien gegenüber Aluminium besitzen, haben Potenzial Seltene Erden zu enthalten, jedoch ist hier eine komplexe Aufbereitung nötig, was die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt. Daher werden diese Lagerstätten derzeit beinahe nicht genutzt.
Die Karte zeigt alle Länder, für die das U.S. Geological Survey (USGS) Zahlen zum Seltenerdvorkommen ausweist oder wo diese Rohstoffgruppe 2023 abgebaut wurde. Die größten Vorkommen Seltener Erden befinden sich in China, Vietnam, Brasilien und Russland:
China
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Vietnam
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Brasilien
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Russland
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Kritikalität
Bedarf bis 2050 könnte um das 26-Fache ansteigen
Politische Dimension
China hat die Marktmacht über Seltene Erden
Europa und USA: Abhängigkeit von China soll sinken
Seinen Zugriff auf kritische Mineralien sichert sich China auch im Ausland durch Investitionen in auf diese Rohstoffe spezialisierte Unternehmen. Seit einigen Jahren ist China daher nicht nur der größte Produzent Seltener Erden, sondern auch der größte Importeur. So stammen etwa 50 Prozent der schweren Seltenen Erden, die im Reich der Mitte verarbeitet werden, aus dem Nachbarland Myanmar. Trotz der Bestrebungen Europas, der USA und anderer Länder ist die Marktmacht Chinas auf absehbare Zeit zementiert.
Scandium
Scandium ist wichtig für die Brennstoffzellentechnologie, das Versorgungsrisiko dieser Seltenen Erde ist groß.
Yttrium
Yttrium ist neben Scandium eines der beiden Seltenerdelemente, die nicht zu den Lanthanoiden zählen.
Lanthan
Lanthan gehört zur Gruppe der Lanthanoide und ist gleichzeitig deren Namensgeber.
Cer
Cer ist das am häufigsten vorkommende Element der leichten Seltenen Erden. Seine Anwendungen sind vielfältig.
Praseodym
Praseodym teilt viele chemische und physikalische Eigenschaften und Anwendungsgebiete mit Neodym.
Neodym
Das Seltenerdelement Neodym ist ein wichtiger Baustein für starke Permanentmagnete.
Promethium
Das natürliche Vorkommen von Promethium wird auf weniger als ein Kilogramm geschätzt.
Samarium
Samarium gehört zu den leichten Seltenen Erden und wird unter anderem in Hochleistungsmagneten eingesetzt.
Europium
Europium gehört zu den leichten Seltenen Erden und begegnet uns im Alltag in Leuchtstofflampen und Geldscheinen.
Gadolinium
Gadolinium hat viele Anwendungsgebiete. Diese reichen von der Kernkraft bis zur Medizin.
Terbium
Terbium zählt zu den teuersten Seltenerdelementen und steigert die Leistung von Permanentmagneten.
Dysprosium
Dysprosium spielt eine wichtige Rolle als Magnetmaterial und für den Ausbau Erneuerbarer Energien.
Holmium
Holmium hat das höchste magnetische Moment aller Seltenen Erden und wird in der Medizintechnik eingesetzt.
Erbium
Erbium findet beispielsweise Anwendung als Farbstoff und Leistungsverstärker in Glasfaserkabeln.
Thulium
Thulium gehört zu den Lanthanoiden und ist eines der seltensten Elemente dieser Gruppe.
Ytterbium
Ytterbium kommt unter anderem in Leuchtstoffen, Katalysatoren und Keramikkondensatoren zum Einsatz.
Lutetium
Lutetium ist das teuerste Element der Seltenen Erden. Die Anwendungsfelder sind hochspezialisiert.
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