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Die Seltenen Erden und wo man sie findet (fast überall) Jetzt also wieder die Chinesen. Die sitzen nämlich, wie wir seit neuestem wissen, auf mehr als neunzig Prozent der derzeit weltweit geförderten Seltenen Erden. Und dem Vernehmen nach wollen sie uns
in Zukunft nicht mehr so viel davon abgeben. Böse Chinesen!
Allerdings ist es verständlich, dass es dort einerseits Exportquoten für diese strategisch wichtigen Metalle gibt, und die Chinesen andererseits nicht glücklich darüber sind, dass diese offenbar seit Jahren unterlaufen werden. Laut Xinhua verlässt ein Drittel aller abgebauten Lanthanide das Land illegal, und in Japan scheint sich ein Seltenerd-Schwarzmarkt etabliert zu haben. Entsprechend versucht China, die Ausfuhren unter Kontrolle zu bekommen, auch wenn sie natürlich hoch und heilig versprechen, in Zukunft weiter Seltene Erden in alle Welt zu liefern.
Die Seltenerdmetalle. Quelle: U.S. Geological Survey Fact Sheet 087-02.
So richtig beruhigend ist das natürlich nicht. Monopol ist Monopol, und die Chinesen haben oft genug bewiesen, dass sie strategisch denken, was Rohstoffe angeht. Außerdem brauchen die ihre Seltenen Erden selbst, und zwar aus den gleichen Gründen wie wir: Sie bauen Computer, Glasfaserkabel, Farbfernseher, Batterien und Autos. Seltene Erden sind der Stoff, auf dem die moderne Technik aufbaut.
Dass die Nachfrage nach diesen Stoffen in Zukunft wohl stärker ansteigen wird als je zuvor, hat allerdings mit einer speziellen Anforderung moderner Technik zu tun: Wir möchten, ja müssen in Zukunft immer mehr mit immer weniger Energie erreichen, und vor allem ohne Energie aus fossilen Brennstoffen. Das aber geht nicht ohne Solarzellen, Spezialmagnete, Hochtemperaturkeramiken und andere Tricks. Langer Rede kurzer Sinn: Man braucht spezielle Materialien für eine nachhaltige Welt, und das heißt Seltene Erden.
Das fängt bei der Photovoltaik und den Neodym-Eisen-Magneten für Windturbinen und hört bei den Leuchtstoffen von Energiesparlampen noch lange nicht auf Über kurz oder lang brauchen wir einige andere Quellen für diese wichtigen Rohstoffe, wenn die Sache mit den grünen Technologien nicht am Nachschubmangel scheitern soll.
Glücklicherweise sind die Seltenen Erden keineswegs selten. Sie kommen in der Erdkruste tausendfach häufiger vor als Gold oder wichtige Sondermetalle wie Palladium, und sie sind in bestimmten vulkanischen Gesteinen angereichert, die weltweit zu finden sind. Bis etwa 1989 kam der größte Teil der Weltproduktion aus der Mountain-Pass-Mine in Kalifornien. Dann kamen chinesische Produzenten hinzu, der Preis der Metalle sank drastisch, alle anderen Minen waren nicht mehr konkurrenzfähig und den Rest hat unser aller Freund der freie Markt erledigt.
Das bedeutet aber auch, dass es eine beträchtliche Anzahl Lagerstätten weltweit gibt, die entweder schon mal abgebaut oder zumindest ernsthaft auf ihr Potenzial untersucht wurden. Wir fangen also nicht bei null an.[1]
Minerale
Die schweren Seltenen Erden mit den Ordnungszahlen 63 (Europium) bis 71 (Lutetium) sowie Yttrium und Scandium, die sich mineralogisch ähnlich verhalten, bevorzugen in Mineralien die Koordinationszahlen 6 – 8 und kommen vermehrt in Oxiden und Silikaten vor. Die leichten Seltenen Erden umfassen die restlichen Lanthaniden. Diese Elemente sind etwas größer und treten in Mineralien mit Koordinationszahlen von 8 aufwärts auf. Sie bilden oft Carbonate und Phosphate.
Tatsächlich enthalten die meisten Phosphatlagerstätten Seltene Erden, teilweise bis zu einem Prozent, allerdings überwiegend im Promillebereich oder darunter. Diese Erze werden heute schon in großem Maßstab abgebaut, um Phosphatdünger für die Landwirtschaft zu gewinnen. Beim gegenwärtigen Verfahren schließt man die Phosphate mit Schwefelsäure auf und die Lanthaniden landen im Gipsrückstand. Man kann die Rohstoffe allerdings mit Salzsäure aufschließen und die Lanthaniden nachträglich isolieren. Wenn man das systematisch macht, dürfte einiges dabei rumkommen: Allein 2008 förderte die Industrie 160 Millionen Tonnen Phosphatgestein.
Die bedeutendsten Quellen für Seltenerdelemente sind allerdings die beiden Minerale Monazit und Bastnäsit und das sie führende Gestein. Magma, das in die Nähe der Erdoberfläche vordringt, kühlt langsam ab, so dass nach und nach der Schmelzpunkt verschiedener Minerale unterschritten wird. Diesen Prozess bezeichnet man als Differenzierung. Da die seltenen Erden in keines der nach und nach auskristallisierenden Mineralien hineinpassen, reichern sie sich in der Schmelze immer mehr an, teils bis zum Hundertfachen der Ursprungskonzentration.
Carbonatite
Deswegen kann man diese Elemente aus diesen Lagerstätten fördern – anders als andere Sondermetalle, die nur als Nebenprodukt anderer Metalle anfallen. Global treten solche förderbaren Vorkommen überwiegend in Alkaligesteinen und Carbonatit-Komplexen auf. Zu letzteren gehört mit der Mountain-Pass-Mine in Kalifornien auch die bis 1989 bedeutendste Quelle von Lanthanidenerzen. Etwa 550 Lanthaniden-reiche Carbonatitkomplexe kennt man weltweit.
Einer dieser Komplexe liegt in Sachsen, nahe der Stadt Delitzsch. Die DDR hatte in den 70er und 80er Jahren beträchtlichen Aufwand getrieben, um einheimische Ressourcen zu finden und zu erschließen. Zu der Zeit hat sich allerdings kaum jemand für die exotischen Elemente interessiert, so dass die Reserven noch immer dort unten liegen. Bis zu dreieinhalb Prozent Lanthanide enthalten die Gesteine dort, diese Quelle beziffert ihren Wert auf mindestens 1,5 Milliarden Dollar. Weitere eventuell abbauwürdige Carbonatite innerhalb Europas liegen in Karelien, Grönland und in mehreren früher und gegenwärtig abgebauten Lagerstätten in Norwegen (Fen, Stjernoy u.a.). Seltenerd-führende Alkaligesteine gibt es in Europa in Grönland, Russland und Norwegen.
Bayan Obo
Möglicherweise auch zu den Carbonatiten gehört die weltweit bedeutendste Lagerstätte für Seltene Erden, der Eisenerz-Komplex von Bayan Obo in der Inneren Mongolei, der mindestens 48 Millionen Tonnen Seltenerdoxide enthält. Der USGS klassifizierte die Lagerstätte als Carbonatit, Kanazawa und Kamitani ein paar Jahre später als hydrothermal überprägtes Eisenoxid. Die Eisenerze dort enthalten große Mengen Batnäsit und Monazit, allerdings weiß anscheinend keiner so recht, woher die Mineralien kommen. Ein hydrothermaler Ursprung würde auf ungewöhnliche Bedingungen dort hindeuten, denn diese Lagerstätten sind anderswo klein und rar. Seltene Erden sind in den meisten Fällen sehr schlecht löslich und werden nur unter besonderen Bedingungen in Wasser transportiert.
Sande und Böden
Diesen Umstand verdanken wir zwei andere weit verbreitete Typen von Lagerstätten, einerseits die Seifenlagerstätten, in denen die Seltenerd-Mineralien in Form von Sandkörnern konzentriert sind. Das Wirtsgestein löst sich durch Verwitterung auf, und nur die schweren und widerstandsfähigen Mineralkörner überleben. Wellen und Strömungen sortieren den Sand grob nach Dichte, so dass die Seltenen Erden angereichert werden. Zu diesen Lagerstätten gehören fossile Strände in Indien und Südamerika genauso wie junge Sande in Australien und an der Nordseeküste bei Cuxhaven und Hanstholm. Ich vermute auch, dass es sich bei den von den Japanern jetzt ins Auge gefasste Vorkommen in Vietnam um Seifen handelt.
Größere Seltenerdlagerstätten weltweit nach Typ. Placer sind Seifenlagerstätten. Aus Kanazawa, Kamitani: Rare earth Minerals and Resources in the World. Journal of Alloys and Compounds 408–412 (2006) 1339–1343.
Da die Minerale recht widerstandsfähig sind und die Seltenen Erden von Wasser selten transportiert werden, reichern sie sich auch in Verwitterungsresten der Wirtsgesteine an. In China gibt es seltenerdhaltige Tone, die auf verwitterten Granit zurückgehen. Die meisten Mineralien spült das Wasser weg, bis nur noch Silikate, Eisen- und Aluminiumoxide bleiben – und eben die Seltenen Erden, sofern sie denn im Wirtsgestein schon drin waren. Diese Tone enthalten nur wenige Zehntelprozent der begehrten Metalle, sind dafür aber leicht zu ernten. Ähnliche Böden kommen besonders in den Tropen in großen Mengen vor. Wie groß ihr Potential ist, weiß man mangels entsprechender Forschung nicht so recht, aber z.B. die schon zitierten Herren Kanazawa und Kamitani scheinen zu vermuten, dass es auch weltweit beträchtlich ist.
Wir werden also unsere Seltenen Erden schon kriegen. Ein paar Jährchen wird es dauern die Produktion wieder hochzufahren, aber es gibt genug Stellen auf der Erde, an denen man solche Erze aus dem Boden buddeln kann. Das ist eine Sache. Die andere ist, dass man Seltenerdelemente aus Schrott zurückgewinnen kann – und das sollte man auch tun, denn ihre Förderung ist aufwendig, teuer und oft sehr, sehr unschön für die Umwelt. Hatte ich erwähnt dass Seltenerdmetalle oft mit radioaktiven Elementen vergesellschaftet sind?
Recycling
Insofern sollte man sich auch übers Recycling Gedanken machen. Die nötige Technologie allerdings steckt momentan noch in den Kinderschuhen, und die technischen Probleme dabei sollte man nicht unterschätzen. Wirklich einfach ist das nur, wenn Bauteile bekannter Zusammensetzung sortenrein vorliegen. Also fast nie.
Es gibt mehrere Verfahren, gemischten Metallschrott aufzuarbeiten, die alle für Seltene Erden noch kaum kommerziell entwickelt sind. Als erstes liegen nasschemische Verfahren nahe, also Fällung der Verbindungen. Der Nachteil daran ist einfach, dass man am Ende wieder die stabilen Oxide oder andere Salze bekommt, die ebenso aufwendig aufzubereiten sind wie die ursprünglichen Erze. Außerdem gibt es ein Zonenschmelzverfahren, das ähnlich wie die Differenzierung von Magma funktioniert: Eine Induktionsspule verflüssigt einen schmalen Bereich eines Metallbarrens und lässt die Schmelzzone einmal durch das gesamte Werkstück wandern – die seltenen Erden reichern sich in der Schmelze an. Mein Lieblingsverfahren ist
die flüssig-flüssig-Extraktion
, bei der REE-haltiger Metallschrott verflüssigt und mit flüssigem Magnesium überschichtet wird. Die gewünschten Elemente lösen sich dann im Magnesium.
Man erkennt schon auf den ersten Blick, dass diese Verfahren aufwendig sind und große Mengen Energie verschlingen. Dass der Preis für die Metalle langfristig hoch genug ist, um derart aufwendige Verfahren ökonomisch zu machen, darauf würde ich eher nicht wetten: Ohne langfristige, strategische Investitionen wird es wahrscheinlich in absehbarer Zeit keine Recycling-Kapazitäten für Seltene Erden geben.
Und hier sehe ich eigentlich das Hauptproblem, und es geht über die Frage nach den Seltenen Erden weit hinaus: Es gibt keine Strategie. Wir wissen, dass Dutzende essentielle Ressourcen vom Öl bis zu den Lanthaniden, Fischbestände, Phosphatdünger undsoweiter keineswegs unbegrenzt und jederzeit in beliebiger Menge verfügbar sind, aber trotzdem tun alle so als wenn sie es wären. Es ist absolut kein Naturgesetz, dass China etwa 97 Prozent des Marktes für Lanthaniden beherrscht. Es zeigt eher, dass die westlichen Industrieländer eine – im Nachhinein betrachtet – zum Schreien dämliche Ressourcenpolitik betreiben und die Chinesen eben nicht.
Und es ist ja nicht so, dass sie es nicht mal besser gewusst hätten. Es ist gar nicht so lange her, da gab es hierzulande noch die großen Mischkonzerne, die das eine oder andere Bergwerk im Portfolio hatten, um sich gegen Rohstoffprobleme abzusichern. Diese Unternehmen haben sich in den letzten Jahren "gesundgeschrumpft" und "auf das Kerngeschäft konzentriert", will sagen, eine Strategie gefahren, die eher auf kurzfristige Profite als die langfristige Perspektive ausgerichtet war. Und jetzt haben wir genau das bekommen: Kurzfristige Profite hoch, langfristige Perspektive eher finster, in jeder Hinsicht. Die Seltenen Erden sind erst der Anfang.
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[1] Kleiner Investment-Tipp von mir: Finger weg von den Seltenen Erden. Die entsprechenden Papiere sind jetzt schon überteuert, und Spekulationsblasen gibt's auch bei Ressourcen.
Quellen u.a.:
Adrian P. Jones, Frances Wall, C. Terry Williams: Rare earth minerals: chemistry, origin and ore deposits, London 1996.
Kanazawa, Kamitani: Rare earth Minerals and Resources in the World. Journal of Alloys and Compounds 408–412, S. 1339–1343, 2006.
Greta J. Orris, Richard I. Grauch: Rare Earth Element Mines, Deposits, and Occurrences, U.S. Geological Survey 2002.
Stephen B. Castor, James B. Hedrick: Rare Earth Elements. In: Industrial Minerals and Rocks, Littleton 2006.
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