Seltene Erden. Eine zwiespältige Geschichte

Wie man das halt damals noch so tat – man hatte ja sonst nichts – stöberte der schwedische Soldat Carl Axel Arrhenius im Jahre 1787 im stillgelegten Feldspat-Bergwerk Ytterby nahe Stockholm herum. Er fand da einen auffällig schweren, schwarzen Stein. Diesen wollte er in der Folge zum fernen Schicksalsberg tragen, um ihn da… nein, halt. Falsche Geschichte. Er trug den Stein zu den Naturforschern, wo er alsbald den Anstoss zur Entdeckung der sogenannten Seltenen Erden gab; erst einmal aber nur der “Yttererde“. (Als eine “Erde“ bezeichnete die Chemie damals ein Metalloxid, wie etwa das heute noch als Tonerde bekannte Aluminiumoxid.) Es sollte dann noch einhundertfünfzig Jahre dauern, bis die Yttererden (und Ceriterden) als eine Verbindung verschiedener, eng verwandter Metalle erkannt und alle 17 zu den Seltenen Erden zählenden Metalle benannt waren.

Ein Bund von siebzehn Gefährten

Wie schon in dem von Arrhenius gefundenen “Stein“ findet sich eine Seltene Erden kaum je vereinzelt, sondern immer im Zusammenschluss mit Stammesangehörigen und anderen Elementen. Sie sind also gesellig, und dass sie dabei auch noch chemisch nah beieinanderstehen, machte (und macht) ihre Gewinnung in Reinform so ausserordentlich aufwändig.

Um uns nun nicht – wie allgemein üblich – um ihre individuelle Benennung herumzudrücken, zählen wir sie hier einmal auf. In Reihenfolge ihres Atomgewichts zählen dazu: Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. Nach ihrem Atomgewicht richtet sich dann auch ihre Unterteilung in leichte und schwere Seltene Erden, wovon die leichten (Lanthan bis Europium sowie Scandium) häufiger vorkommen und auch leichter gewonnen werden können als die schweren (Gadolinium bis Lutetium sowie Yttrium). Insbesondere die letzteren sind deshalb meist gemeint, wenn von den Seltenen Erden als einem knappen Rohstoff die Rede ist. (Unter Ausschluss von Scandium und Yttrium werden die Seltenen Erden ausserdem als Lanthanoide zusammengefasst.)

Wobei - wie schon so oft kolportiert - die Seltenen Erden so selten gar nicht sind. Ihre Bezeichnung als “selten“ stammt aus der Frühzeit ihrer Entdeckung, als das Wort neben seiner Bedeutung als “rar“ auch noch die Eigenschaft “seltsam“ umschrieb. In reiner Quantität dürfen sie sogar als recht häufige Elemente gelten. (Mit Ausnahme des Promethiums, dessen irdische Vorkommen auf etwa ein halbes Kilogramm geschätzt werden.) Das Problem ist, dass sie sich nur grossflächig verteilt und in geringer Konzentration in unserer Erdkruste finden. Ein ökonomisch sinnvoller Abbau kann deshalb nur an ein paar wenigen, grösseren Lagerstätten erfolgen, aktuell hauptsächlich in China, weit abgeschlagen gefolgt von Australien, Brasilien und den GUS-Staaten. Ihre Beliebtheit rührt deshalb weniger aus ihrer Seltenheit als aus ihrer Seltsamkeit.

Die Freaks werden zu Helden

So aufwändig sich die Entdeckung und Isolation der Seltenerdelemente auch gestaltete: Man wusste die längste Zeit kaum etwas mit ihnen anzufangen. Die Zeit für die Einsatzmöglichkeiten ihrer aussergewöhnlichen optischen und magnetischen Eigenschaften war schlicht noch nicht gekommen, und so beschränkte sich ihre Verwendung meistenteils auf Zündsteine und einige frühe Leuchtmittel.

„Diese Elemente verblüffen uns in unseren Untersuchungen, widersprechen unseren Annahmen und verfolgen uns in unseren Träumen… spottend und rätselhaft murmeln sie seltsame Offenbarungen…“

Sir William Crookes (1832-1919), britischer Chemiker

Das änderte sich, als sie als sogenannte Gewürzmetalle oder „Vitamine der Industrie“ Einzug in die Metallurgie, die Glas- und Keramikherstellung und die Erdölindustrie hielten, und ganz entscheidend noch einmal mit dem Aufschwung der neuen Kommunikationstechnologien. Seltenerdmetalle finden sich seither – zu geringen Teilen, aber vorerst unverzichtbar – in unseren Handys, Audio-Playern, Flachbildfernsehern, in bildgebenden Geräten der Medizin, Messgeräten oder Lasern. Dazu treten zunehmend die neuen, grünen Technologien der erneuerbaren Energieerzeugung und der Energiespeicherung: Windkraftwerke verlassen sich auf ihre herausragenden magnetischen Fertigkeiten ebenso wie Elektroautos oder Brennstoffzellen. Dieser Bedarf würzt diese an Nachhaltigkeit orientierten Technologien insofern mit einem bitteren Beigeschmack, als der Abbau und die Gewinnung der Seltenen Erden bislang nicht durch ökologische Nachhaltigkeit glänzen.

Grosse Maschinen auf verwüstetem Land

Die umweltrelevanten Problemstellungen der Seltenerdelemente reichen über ihren gesamten Verwertungszyklus. Erst einmal werden die Seltenerd-Erze – die wichtigsten sind Monazit und Bastnäsit – vornehmlich im Tagebau geschürft. Der Abbau in offenen Gruben hinterlässt gravierende Narben in der Landschaft und benötigt gewaltige Mengen an Energie und Wasser, wobei sich das Verhältnis von gewonnenem Metall und den hierfür bewegten Gesteinsmassen im Falle der Seltenen Erden noch weit ungünstiger darstellt als bei Metallen wie Kupfer, Aluminium oder Eisen. In der Verarbeitung der Erze sind wiederum grosse Mengen von Energie und Chemikalien notwendig, um die einzelnen Element voneinander zu trennen, ergänzt um die Verfahren der Konzentration und Veredelung der Metalle, bei denen gleichfalls verschiedene Säuren und Salze zum Einsatz kommen und toxische Abfälle anfallen. All diese Prozesse hinterlassen verseuchte Schlämme und Abwässer, noch zusätzlich verschärft durch den Umstand, dass sich die Seltenerdmetalle gern mit radioaktiven Elementen vergesellschaften, die dann in Luft und Grundwasser gelangen können.

Die meisten dieser Umweltgefahren liessen sich durch umweltgerechte Folgeverfahren entschärfen. Das bewies sich beispielsweise in der kalifornischen Mountain Pass Mine. Die strikten Umweltauflagen des Bundesstaates Kalifornien zwangen das Unternehmen zur Entwicklung von nachhaltigen Verfahren und einer drastischen Reduktion des ökologischen Fussabdrucks im gesamten Herstellungsprozess der hier geförderten und verarbeiteten Seltenerdoxide. Gegenüber den höchst umweltbelastenden, unregulierten Extraktions- und Verarbeitungsverfahren, wie sie sich in China präsentieren, zeigte sich die Anlage dann wirtschaftlich aber nicht konkurrenzfähig. Nach fünf Jahren der umwelttechnisch vorbildlichen Produktion ging sie 2015 in Konkurs und wird seither im Zustand der Bereitschaft gehalten.

„Der Nahe Osten hat Öl, China hat Seltene Erden“

Deng Xiaoping (1904-1997), chinesischer Staatsführer

Seltenerden in Schubladen

Um den Klammergriff Chinas auf den Seltenen Erden abzumildern - wie er sich aktuell gerade wieder im Handelskrieg zwischen den USA und China manifestiert -, wurden schon verschiedene Anstrengungen unternommen. Die lassen sich grob in zwei Kategorien teilen: Substitution und Recycling.

Insbesondere die Substitution konnte hier vorerst Erfolge verzeichnen. Darunter sind all jene Strategien zu verstehen, die es ermöglichen, die Rohstoffe durch breiter vorhandene oder unbedenklichere Materialien zu ersetzen, im Mengenaufwand zu reduzieren oder ganz überflüssig zu machen. Da überraschte dann etwa im Jahr 2014 die Nachricht die Weltöffentlichkeit, die globale Nachfrage nach schweren Seltenen Erden habe zwischen 2009 und 2013 um gewaltige 32% abgenommen. Man war bislang allgemein von einem fortgesetzten Nachfragewachstum ausgegangen. Aus umweltsensitiver Sicht ist das indessen noch keine unbedingte Erfolgsmeldung. Es ist dann im Einzelnen doch immer noch der Nachweis zu führen, dass die Substitute und die neuen Verfahren auch ökologischer sind als die vorhergehenden, was sich durchaus nicht als selbstverständlich erweist. Ausserdem scheint die hier verzeichnete Innovationswelle seither auch wieder weitgehend abgeebbt zu sein.

Noch viel unerschlossenes Potenzial liegt im Recycling der Seltenerd-Metalle. Hier scheitert vieles schon zu Beginn: Für das Jahr 2012 wurde geschätzt, dass etwa 8 Millionen Handys in Schweizer Schubladen lagen: Dass es derweil noch so einige mehr sein dürften, lässt sich aus der durchschnittlichen Verwendungsdauer eines smarten Phones - etwa anderthalb Jahre - schlussfolgern. Offenbar fällt der Abschied vom alten Handy besonders schwer, doch ganz insgesamt sind unsere Siedlungsräume wahre Schatztruhen an ungenutzten Rohstoffen. Im Falle der Seltenen Erden stellt sich die Lage insofern etwas schwieriger dar, als sie tatsächlich nur in minimalen Mengen in den Elektrogeräten, Batterien, Leuchtmitteln usw. vorliegen. Eine kontrollierte Rückgewinnung zeigt sich damit als wirtschaftlich noch wenig ertragreich - und kontrolliert sollte sie schon sein, wenn dabei nicht ein vergleichbarer Energie-, Wasser- und Chemikalienverbrauch anfallen soll wie in der Primärproduktion. Ein kontrolliertes und technisch anspruchsvolles Recycling von Seltenen Erden schlägt diese Neuproduktion dann aber um Längen. Urban Mining und eine nachhaltige Aufbereitung unseres Elektroschrotts wären also auch betreffs der Seltenen Erden das Gebot der Stunde…

Quellen und weitere Informationen:
Marschall/Holdinghausen: Seltene Erden (oekom, 978-3-86581-844-7)
mining.com: Stilllegung der Mine Mountain Pass
wissenschaft.de: Besseres Recycling für Seltenerd-Magnete
beobachter.ch: Schätze in Schweizer Schubladen