Seltene Erden: Nano-Power für die Versorgungssicherheit

In den USA entwickeltes Verfahren könnte Produktion Seltener Erden künftig vereinfachen und unabhängiger von China machen.

Seltene Erden sind essentielle Bestandteile zahlreicher technischer Geräte, vom Smartphone über die Klimaanlage bis zum bis zum Antrieb von Elektrofahrzeugen. Doch der stetig wachsenden Nachfrage steht ein Quasi-Monopol auf Produzentenseite entgegen. Der Abbau der Rohstoffe wird von China dominiert, noch stärker ist diese Konzentration bei ihrer Aufbereitung und Weiterverarbeitung. Die gängige Technologie zur Abtrennung der einzelnen Seltenerdelemente wurde in der Volksrepublik entwickelt, ist jedoch energieintensiv und erfordert viele einzelne Schritte. Zudem kommen Chemikalien zum Einsatz, die die Umwelt belasten können.

In den USA haben Forscher jetzt eine alternative Methode entwickelt, die die heimische Versorgung mit den kritischen Rohstoffen künftig verbessern könnte. Fachmedien wie Interesting Engineering sprechen von einem Durchbruch. Die an der Universität von Texas in Austin entwickelte Methode ist von natürlichen Prozessen inspiriert: der selektiven Natur biologischer Systeme. Menschliche Körperzellen etwa verfügen über spezielle Proteine, die nur bestimmte Ionen durchlassen, während andere blockiert werden, schreibt Interesting Engineering.

Winzige Torwächter lassen nur Seltene Erden passieren

Vor diesem Hintergrund entwarfen die Wissenschaftler künstliche Membrankanäle. Die winzigen Nanoporen basieren auf einer Struktur namens Pillararen, ringförmigen organischen Molekülen. Diese wurden modifiziert, um „gewöhnliche“ Ionen wie Kalium, Natrium und Kalzium aus wässrigen Lösungen zu binden und am Durchlass zu hindern. Passieren dürfen hingegen die Ionen bestimmter Seltener Erden wie Europium und Terbium. Besonders letzteres gilt als kritisch, da seine Produktion mehr noch als bei anderen Vertretern der Seltenen Erden von China abhängt, da die Abtrennung besonders aufwendig ist.

Bei der Unterscheidung einzelner Seltenerdelemente zeigten die Membrankanäle den Forschern zufolge beeindruckende Selektivitätswerte – deutlich höher als die traditioneller lösungsmittelbasierter Methoden. Letztere benötigen Dutzende von Stufen, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Als nächstes ist die Integration der Methode in ein skalierbares System für den industriellen Einsatz geplant. Dazu entwickelt das Wissenschaftsteam eine Plattform, um sowohl die Ionen Seltener Erden als auch die anderer kritischer Elemente wie Lithium und Gallium zu transportieren. Ziel ist eine effizientere und umweltfreundliche Rohstoffgewinnung in den USA.

Ein essentieller Schritt – doch wäre dadurch noch keine komplette Unabhängigkeit von Chinas Wertschöpfungskette für Seltene Erden erreicht. Denn außer Abbau und Aufbereitung der Rohstoffe dominiert die Volksrepublik auch deren Weiterverarbeitung etwa zu weltweit gefragten Hochleistungsmagneten. Entsprechende Kapazitäten sind in den USA erst im Aufbau.

Mehr Innovationen: Rund um die Welt arbeiten Forscher an der optimierten Weiterverarbeitung der begehrten Seltenen Erden, so berichteten wir bereits über Ansätze mit molekularen „Schwämmen“ und mit Mikroben. Auch Marktführer China selbst entwickelt neue Methode, etwa für die schnellere Produktion Seltener Erden mithilfe elektrischer Ströme.

Photo: Andrey Prokhorov via Canva