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Oct 23, 2023

Wie die Wissenschaft das Recycling seltener Erden einfacher machen könnte

Recycling von Seltenerdelementen aus bestehenden High-Tech-Produkten wie Festplatten

Das Recycling seltener Erden aus bestehenden High-Tech-Produkten wie Festplatten könnte dazu beitragen, die Nachfrage nach diesen wertvollen Metallen zu decken.

JÖRG GREUEL/PHOTODISC/GETTY IMAGES PLUS

Von Erin Wayman

20. Januar 2023 um 8:00 Uhr

Unser modernes Leben hängt von Seltenerdelementen ab, und eines Tages werden wir vielleicht nicht mehr genug haben, um den wachsenden Bedarf zu decken.

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sind diese 17 metallischen Elemente entscheidende Bestandteile in Computerbildschirmen, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten, Kompaktleuchtstofflampen, medizinischen Bildgebungsgeräten, Lasern, Glasfasern, Pigmenten, Polierpulvern, Industriekatalysatoren – die Liste geht weiter und weiter (SN Online: 16.01.23). Insbesondere seltene Erden sind ein wesentlicher Bestandteil der Hochleistungsmagnete und wiederaufladbaren Batterien in Elektrofahrzeugen und Technologien für erneuerbare Energien, die erforderlich sind, um die Welt in eine kohlenstoffarme oder kohlenstofffreie Zukunft zu führen.

Im Jahr 2021 wurden weltweit 280.000 Tonnen Seltene Erden gefördert – etwa 32-mal so viel wie Mitte der 1950er Jahre. Und die Nachfrage wird nur noch steigen. Experten schätzen, dass wir bis 2040 bis zu siebenmal so viel Seltene Erden benötigen wie heute.

Es wird nicht einfach sein, diesen Appetit zu stillen. Seltene Erden kommen in konzentrierten Lagerstätten nicht vor. Bergleute müssen riesige Mengen Erz abbauen, es physikalischen und chemischen Prozessen unterziehen, um die Seltenen Erden zu konzentrieren, und sie dann trennen. Die Umwandlung ist energieintensiv und schmutzig, erfordert den Einsatz giftiger Chemikalien und erzeugt oft eine kleine Menge radioaktiven Abfalls, der sicher entsorgt werden muss. Ein weiteres Problem ist der Zugang: China hat nahezu ein Monopol sowohl auf den Abbau als auch auf die Verarbeitung; Die Vereinigten Staaten haben nur eine aktive Mine (SN Online: 01.01.23).

Für die meisten Aufgaben, die Seltene Erden erfüllen, gibt es keinen guten Ersatz. Um also dazu beizutragen, die zukünftige Nachfrage zu decken und zu diversifizieren, wer das Angebot kontrolliert – und vielleicht sogar die Gewinnung seltener Erden „umweltfreundlicher“ zu gestalten – suchen Forscher nach Alternativen zum konventionellen Bergbau.

Die Vorschläge umfassen alles von der Gewinnung der Metalle aus Kohleabfällen bis hin zu wirklich ausgefallenen Ideen wie dem Bergbau auf dem Mond. Aber der Ansatz, der am wahrscheinlichsten sofort Abhilfe schafft, ist Recycling. „Recycling wird eine sehr wichtige und zentrale Rolle spielen“, sagt Ikenna Nlebedim, Materialwissenschaftlerin am Ames National Laboratory in Iowa und am Critical Materials Institute des Energieministeriums. „Das heißt nicht, dass wir uns durch Recycling aus der Herausforderung kritischer Materialien befreien werden.“

Einigen Schätzungen zufolge könnte das Recycling beispielsweise auf dem Markt für Seltenerdmagnete in etwa zehn Jahren bis zu einem Viertel des Bedarfs an Seltenerdmetallen decken. „Das ist riesig“, sagt er.

Doch bevor die seltenen Erden in einem alten Laptop so regelmäßig recycelt werden können wie das Aluminium in einer leeren Getränkedose, müssen technologische, wirtschaftliche und logistische Hürden überwunden werden.

Recycling scheint ein naheliegender Weg zu sein, um mehr Seltene Erden zu gewinnen. In den Vereinigten Staaten und Europa ist es gängige Praxis, 15 bis 70 Prozent anderer Metalle wie Eisen, Kupfer, Aluminium, Nickel und Zinn zu recyceln. Dennoch werden heute nur etwa 1 Prozent der Seltenerdelemente in alten Produkten recycelt, sagt Simon Jowitt, Wirtschaftsgeologe an der University of Nevada, Las Vegas.

„Kupferkabel können zu mehr Kupferkabeln recycelt werden. Stahl kann einfach zu mehr Stahl recycelt werden“, sagt er. Doch viele Seltenerdprodukte seien „von Natur aus nicht sehr recycelbar“.

Das Projekt würde wertvolle Seltenerdmetalle liefern und dazu beitragen, die schmutzigen Hinterlassenschaften des Kohlebergbaus zu beseitigen.

Seltene Erden sind in Touchscreens und ähnlichen Produkten oft mit anderen Metallen vermischt, was die Entfernung erschwert. In gewisser Weise ähnelt das Recycling seltener Erden aus weggeworfenen Gegenständen der Herausforderung, sie aus Erz zu gewinnen und voneinander zu trennen. Herkömmliche Recyclingmethoden für seltene Erden erfordern außerdem gefährliche Chemikalien wie Salzsäure und viel Wärme und damit viel Energie. Zusätzlich zum ökologischen Fußabdruck lohnen sich die Kosten für die Rückgewinnung angesichts der geringen Ausbeute an Seltenen Erden möglicherweise nicht. Eine Festplatte beispielsweise enthält möglicherweise nur wenige Gramm; Einige Produkte enthalten nur Milligramm.

Chemiker und Materialwissenschaftler versuchen jedoch, intelligentere Recyclingansätze zu entwickeln. Ihre Techniken setzen Mikroben ein, verzichten auf die Säuren herkömmlicher Methoden oder versuchen, Extraktion und Trennung zu umgehen.

Ein Ansatz stützt sich auf mikroskopisch kleine Partner. Gluconobacter-Bakterien produzieren auf natürliche Weise organische Säuren, die seltene Erden wie Lanthan und Cer aus verbrauchten Katalysatoren, die bei der Erdölraffinierung verwendet werden, oder aus fluoreszierenden Leuchtstoffen, die in der Beleuchtung verwendet werden, extrahieren können. Die bakteriellen Säuren seien weniger umweltschädlich als Salzsäure oder andere traditionelle metallauslaugende Säuren, sagt Yoshiko Fujita, Biogeochemikerin am Idaho National Laboratory in Idaho Falls. Fujita leitet die Forschung zu Wiederverwendung und Recycling am Critical Materials Institute. „Sie können auch auf natürlichem Wege abgebaut werden“, sagt sie.

In Experimenten können die Bakteriensäuren nur etwa ein Viertel bis die Hälfte der Seltenen Erden aus verbrauchten Katalysatoren und Leuchtstoffen zurückgewinnen. Salzsäure kann viel besser sein – in manchen Fällen werden bis zu 99 Prozent extrahiert. Aber die biobasierte Auslaugung könnte dennoch profitabel sein, berichteten Fujita und Kollegen 2019 in ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

In einer hypothetischen Anlage, die jährlich 19.000 Tonnen gebrauchten Katalysatoren recycelt, schätzte das Team den Jahresumsatz auf etwa 1,75 Millionen US-Dollar. Doch die Fütterung der Bakterien, die die Säure vor Ort produzieren, ist mit hohen Kosten verbunden. In einem Szenario, in dem die Bakterien mit raffiniertem Zucker gefüttert werden, belaufen sich die Gesamtkosten für die Produktion der Seltenen Erden auf etwa 1,6 Millionen US-Dollar pro Jahr, sodass nur etwa 150.000 US-Dollar Gewinn übrig bleiben. Die Umstellung von Zucker auf Maisstängel, -schalen und andere Erntereste würde jedoch die Kosten um etwa 500.000 US-Dollar senken und den Gewinn auf etwa 650.000 US-Dollar steigern.

Auch andere Mikroben können dabei helfen, Seltene Erden abzubauen und noch weiter zu verbreiten. Vor einigen Jahren entdeckten Forscher, dass einige Bakterien, die Seltene Erden verstoffwechseln, ein Protein produzieren, das sich bevorzugt an diese Metalle bindet. Dieses Protein, Lanmodulin, kann seltene Erden voneinander trennen, beispielsweise Neodym von Dysprosium – zwei Bestandteile von Seltenerdmagneten. Ein auf Lanmodulin basierendes System könnte die vielen chemischen Lösungsmittel, die typischerweise bei einer solchen Trennung verwendet werden, überflüssig machen. Und der zurückbleibende Abfall – das Protein – wäre biologisch abbaubar. Ob sich das System jedoch im kommerziellen Maßstab durchsetzen wird, ist unbekannt.

Ein anderer Ansatz, der bereits kommerzialisiert wird, verzichtet auf Säuren und nutzt Kupfersalze, um die Seltenen Erden aus ausrangierten Magneten zu extrahieren – ein wertvolles Ziel. Neodym-Eisen-Bor-Magnete bestehen zu etwa 30 Gewichtsprozent aus seltenen Erden und sind die größte Einzelanwendung dieser Metalle weltweit. Einer Prognose zufolge könnte allein die Rückgewinnung des Neodyms in Magneten aus US-Festplatten bis zum Ende des Jahrzehnts etwa 5 Prozent des weltweiten Bedarfs außerhalb Chinas decken.

Nlebedim leitete ein Team, das eine Technik entwickelte, die Kupfersalze verwendet, um seltene Erden aus geschreddertem Elektroschrott, der Magnete enthält, herauszulösen. Durch Eintauchen des Elektroschrotts in eine Kupfersalzlösung bei Raumtemperatur werden die Seltenen Erden in den Magneten aufgelöst. Andere Metalle können für ihr eigenes Recycling ausgeschöpft werden und das Kupfer kann zur Herstellung weiterer Salzlösungen wiederverwendet werden. Anschließend werden die Seltenen Erden verfestigt und mit Hilfe zusätzlicher Chemikalien und Erhitzen in pulverförmige Mineralien, sogenannte Seltenerdoxide, umgewandelt. Das Verfahren, das auch auf Material angewendet wurde, das bei der Magnetherstellung übrig bleibt und normalerweise im Abfall landet, kann 90 bis 98 Prozent der seltenen Erden zurückgewinnen, und das Material ist rein genug, um neue Magnete herzustellen, wie Nlebedims Team gezeigt hat.

Im besten Fall könnte die Verwendung dieser Methode zur Wiederverwertung von 100 Tonnen übriggebliebenem Magnetmaterial 32 Tonnen Seltenerdoxide produzieren und einen Gewinn von mehr als 1 Million US-Dollar erzielen, wie aus einer wirtschaftlichen Analyse der Methode hervorgeht.

In dieser Studie wurden auch die Umweltauswirkungen des Ansatzes bewertet. Verglichen mit der Herstellung eines Kilogramms Seltenerdoxid durch eine der derzeit in China am häufigsten verwendeten Bergbau- und Verarbeitungsarten hat die Kupfersalzmethode weniger als die Hälfte des CO2-Fußabdrucks. Es produziert durchschnittlich etwa 50 Kilogramm Kohlendioxidäquivalent pro Kilogramm Seltenerdoxid gegenüber 110, berichtete Nlebedims Team im Jahr 2021 in ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Seltene Erden machen Smartphones und andere Technologien möglich, stellen sie jedoch vor große Herausforderungen. Lesen Sie mehr aus dieser Serie:

Aber es ist nicht unbedingt umweltfreundlicher als alle Formen des Bergbaus. Ein Knackpunkt ist, dass der Prozess giftiges Ammoniumhydroxid und Rösten erfordert, was viel Energie verbraucht und dennoch etwas Kohlendioxid freisetzt. Nlebedims Gruppe optimiert nun die Technik. „Wir wollen den Prozess dekarbonisieren und sicherer machen“, sagt er.

Inzwischen scheint die Technologie so vielversprechend zu sein, dass TdVib, ein Unternehmen aus Iowa, das magnetische Materialien und Produkte entwickelt und herstellt, sie lizenziert und eine Pilotanlage gebaut hat. Das ursprüngliche Ziel sei es, zwei Tonnen Seltenerdoxide pro Monat zu produzieren, sagt Daniel Bina, Präsident und CEO von TdVib. Die Anlage wird seltene Erden aus alten Festplattenlaufwerken aus Rechenzentren recyceln.

Noveon Magnetics, ein Unternehmen in San Marcos, Texas, stellt bereits recycelte Neodym-Eisen-Bor-Magnete her. Bei der typischen Magnetherstellung werden die seltenen Erden abgebaut, in Metalllegierungen umgewandelt, zu einem feinen Pulver gemahlen, magnetisiert und zu einem Magneten geformt. Noveon schafft diese ersten beiden Schritte, sagt Firmenchef Scott Dunn.

Nach der Entmagnetisierung und Reinigung ausrangierter Magnete mahlt Noveon sie direkt zu Pulver, bevor sie wieder zu neuen Magneten verarbeitet werden. Anders als bei anderen Recyclingmethoden ist es nicht erforderlich, die Seltenen Erden zuerst zu extrahieren und zu trennen. Das Endprodukt kann zu mehr als 99 Prozent aus recycelten Magneten bestehen, sagt Dunn, mit einer kleinen Zugabe von neuen Seltenerdelementen – der „geheimen Soße“, wie er es nennt –, die es dem Unternehmen ermöglicht, die Eigenschaften der Magnete zu optimieren.

Im Vergleich zum herkömmlichen Abbau und zur Herstellung von Magneten senkt Noveons Methode den Energieverbrauch um etwa 90 Prozent, berichteten Miha Zakotnik, Chief Technology Officer von Noveon, und andere Forscher im Jahr 2016 in Environmental Technology & Innovation. In einer weiteren Analyse aus dem Jahr 2016 wurde geschätzt, dass für jedes Kilogramm Magnet, das mit der Noveon-Methode hergestellt wird, etwa 12 Kilogramm Kohlendioxidäquivalent ausgestoßen werden. Das ist etwa halb so viel Treibhausgas wie bei herkömmlichen Magneten.

Dunn lehnte es ab, mitzuteilen, welche Menge an Magneten Noveon derzeit produziert oder wie viel seine Magnete kosten. Aber die Magnete werden in einigen industriellen Anwendungen verwendet, für Pumpen, Lüfter und Kompressoren sowie für einige Elektrowerkzeuge und andere Elektronikgeräte für Verbraucher.

Auch wenn Forscher technologische Hürden überwinden, gibt es immer noch logistische Hindernisse für das Recycling. „Wir verfügen nicht über die Systeme zum Sammeln von Altprodukten, die seltene Erden enthalten“, sagt Fujita, „und es fallen Kosten für die Demontage dieser Produkte an.“ Bevor man mit dem Recycling seltener Erden beginnen kann, muss man bei vielen Elektroschrottstücken an die Teile gelangen, die diese Edelmetalle enthalten.

Noveon verfügt über einen halbautomatischen Prozess zum Entfernen von Magneten von Festplatten und anderen elektronischen Geräten.

Apple versucht außerdem, den Recyclingprozess zu automatisieren. Der Daisy-Roboter des Unternehmens kann iPhones zerlegen. Und im Jahr 2022 kündigte Apple ein Roboterpaar namens Taz und Dave an, das das Recycling seltener Erden erleichtern soll. Taz kann magnethaltige Module sammeln, die typischerweise bei der Schredderung von Elektronik verloren gehen. Dave kann Magnete von Taptic Engines wiederherstellen, Apples Technologie, die Benutzern taktiles Feedback gibt, wenn sie beispielsweise auf einen iPhone-Bildschirm tippen.

Selbst mit Roboterhilfen wäre es viel einfacher, wenn Unternehmen ihre Produkte einfach so entwerfen würden, dass das Recycling einfach ist, sagt Fujita.

Wie gut das Recycling auch sein mag, Jowitt sieht keinen Weg daran vorbei, den Bergbau zu steigern, um unsere Gesellschaft, die nach seltenen Erden hungert, zu ernähren. Aber er stimmt zu, dass Recycling notwendig ist. „Wir haben es mit an sich endlichen Ressourcen zu tun“, sagt er. „Wir versuchen besser, so viel wie möglich zu extrahieren, anstatt es einfach auf der Mülldeponie zu entsorgen.“

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Y. Fujita, SK McCall und D. Ginosar. Recycling seltener Erden: Perspektiven und jüngste Fortschritte. MRS-Bulletin. Bd. 47, März 2022, S. 283. doi: 10.1557/s43577-022-00301-w.

SM Jowitt. Mineralökonomie der Seltenerdelemente. MRS-Bulletin. Bd. 47, März 2022, S. 276. doi: 10.1557/s43577-022-00289-3.

NA Chowdhury et al. Nachhaltiges Recycling von Seltenerdelementen aus NdFeB-Magnetspänen: Technoökonomische und ökologische Perspektiven. ACS Nachhaltige Chemie und Technik. Online veröffentlicht am 17. November 2021. doi.org: 10.1021/acssuschemeng.1c05965.

H. Jin et al. Biolaugung von Seltenerdelementen aus Industrieabfällen unter Verwendung landwirtschaftlicher Abfälle. ACS Nachhaltige Chemie und Technik. Online veröffentlicht am 20. August 2019. doi: 10.1021/acssuschemeng.9b02584.

H. Jin et al. Vergleichende Ökobilanz von NdFeB-Magneten: Neuproduktion versus Magnet-zu-Magnet-Recycling. Procedia CIRP. Online veröffentlicht am 27. Juli 2016. doi: 10.1016/j.procir.2016.03.013.

M. Zakotnik et al. Analyse des Energieverbrauchs beim Nd-Fe-B-Magnet-zu-Magnet-Recycling. Umwelttechnologie und Innovation. Bd. 5, April 2016, S. 117. doi: 10.1016/j.eti.2016.01.002.

Erin Wayman ist leitende Redakteurin für Print- und Langformatinhalte bei Science News. Sie hat einen Master-Abschluss in biologischer Anthropologie von der University of California, Davis und einen Master-Abschluss in wissenschaftlichem Schreiben von der Johns Hopkins University.

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