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Vergraben in Haufen von ausgeschiedenem Bergbauabfall könnte ein versteckter Schatz liegen, der Druck auf globale Lieferketten lindern kann: die Seltenen Erden. Sie sind nicht exotisch im astronomischen Sinn, doch in den fein gemahlenen Resten der Kohleaufbereitung — den sogenannten Kohlehalden — verbergen sich Metalle, die für moderne Energie‑ und Elektronikindustrien unverzichtbar sind. Wie lassen sie sich zurückgewinnen? Das ist die Frage, die ein von der Northeastern University geleitetes Forschungsteam untersuchte. Die Ergebnisse könnten unser Verständnis von Bergbau, Recycling und Umweltsanierung grundlegend verändern.
Seltene Erden (auch REE genannt) — denken Sie an Neodym, Dysprosium und andere Lanthanoide — bilden das Rückgrat leistungsstarker Magnete, Elektromotoren in Elektrofahrzeugen, Generatoren von Windkraftanlagen sowie kompakter Elektronik. Der Begriff „selten" bezieht sich eher auf ihr geochemisches Verhalten als auf ihre absolute Knappheit: Diese Elemente neigen dazu, an Tonminerale und andere Wirtsphasen zu haften, was die Gewinnung technisch anspruchsvoll und oft kostenintensiv macht. Konventionelle Methoden haben Schwierigkeiten, diese Elemente aus den mikroskopischen Gitterkäfigen zu lösen, in denen sie eingeschlossen sind. Das treibt die Exploration zunehmend zu neuen Erzvorkommen und in großem Umfang zu aufwändigen Verarbeitungsprozessen im Ausland.
Wie die neue Methode funktioniert
Der neuartige Ansatz kombiniert zwei Behandlungsschritte, die die mineralische Matrix, welche die Seltenen Erden bindet, verändern. Zuerst durchtränken die Forscher die Haldenreste mit einer alkalischen Lösung. Anschließend, nachdem das Material vorbehandelt wurde und während es mit Mikrowellenenergie erhitzt wird, folgt eine Säurebehandlung — ein Salpetersäurebad, das die gelösten Seltenen Erden vom restlichen Gestein trennt. Das Ergebnis ist eine poröse, veränderte Feststoffstruktur, die bei der chemischen Trennung deutlich kooperativer reagiert als das ursprünglich fest gebundene Tonmaterial. Diese Kombination aus alkalischer Vorbehandlung, schneller Erwärmung und anschließender Säureextraktion ist eine gezielte Hydrometallurgie‑Strategie, die sowohl die Freisetzung als auch die Selektivität gegenüber bestimmten Lanthanoiden verbessern kann.
Mikrowellen werden hier nicht als Küchenabkürzung eingesetzt; im Labor liefern sie schnelle, volumetrische Erwärmung, die Minerallattice effizienter verändert als konventionelle Öfen. Die alkalische Vorbehandlung scheint die Kristallstrukturen aufzubrechen, in denen REE eingeschlossen sind, und die mikrowellenunterstützte Erwärmung beschleunigt diese Umwandlung. Durch die kombinierte Wirkung entstehen Mikro‑ und Makroporosität, die den Zugang von Säuren und Lösungsmitteln zu zuvor verschlossenen Bindungsstellen erleichtert. Nach dem Säureschritt verbessert sich die Rückgewinnung von Elementen wie Neodym deutlich. In der Studie berichtet das Team von Extraktionsausbeuten, die in bestimmten Proben bis zu dreimal höher liegen als bei einigen derzeit verwendeten Techniken — ein Potenzial, das sowohl die Effizienz der Rückgewinnung als auch die Ressourceneffizienz von Bergbau‑ und Recyclingketten erhöhen könnte.
Die in der Studie verwendete Extraktionsmethode könnte sich schwer skalieren lassen, sagen die Forschenden.
Eine solche Verbesserung ist bedeutend. Schätzungen deuten darauf hin, dass allein in den Vereinigten Staaten auf jeweils 1,5 Milliarden Tonnen Kohlehalden mehr als 600 Kilotonnen gewinnbare Seltene Erden verborgen sein könnten. Pennsylvania hält beispielsweise schätzungsweise rund zwei Milliarden zusätzliche Tonnen dieses Abfalls; landesweit und weltweit sind die Mengen gewaltig. Aus einer Last eine Ressource zu machen würde den Bedarf an neuen Minen verringern und die Versorgung diversifizieren — ein strategischer Vorteil, während die Nachfrage nach Technologien für saubere Energie steigt. Darüber hinaus könnten lokale Rückgewinnungsprojekte die Transportdistanzen von Erzkonzentraten reduzieren, Arbeitsplätze in der Region schaffen und die Abhängigkeit von externen Verarbeitungsstätten senken, was zur Rohstoffsicherheit beiträgt.
Wissenschaftlicher Kontext und praktische Hürden
Die Gewinnung von Seltenen Erden aus Halden ist nicht nur ein chemisches Rätsel. Es ist ein Werkstoffproblem. REE sind häufig an oder in feinkörnigen Tonmineralen und Eisenoxiden adsorbiert bzw. eingeschlossen. Sie zu lösen erfordert das Aufbrechen von Bindungen ohne neue Umweltgefahren zu schaffen. Die von Northeastern geführte Methode zielt auf den mineralischen Wirtsstoff: Die alkalische Vorbehandlung lockert den Halt, Mikrowellen beschleunigen Reaktionen, und Salpetersäure trennt die Elemente für anschließende Reinigungsstufen. Technisch betrachtet bedeutet dies, dass man sowohl die physikalische Zugänglichkeit verbessern als auch gezielte chemische Selektivität erreichen muss, bevor bekannte Verfahren wie Ionenaustausch, Solvent‑Extraction oder Fällungsprozesse zur Anwendung kommen.
Der Sprung vom Labormaßstab zur industriellen Anlage ist allerdings nicht trivial. Die Skalierung von Mikrowellenreaktoren für Tausende Tonnen Material stellt technische und wirtschaftliche Herausforderungen dar. Mikrowellen‑Systeme müssen homogen und effizient über große Materialmengen wirken, was bei heterogenen Rohstoffen schwierig ist. Die Mineralogie variiert stark von Halde zu Halde, sodass eine Einheitslösung unwahrscheinlich ist: Parameter wie Korngröße, Gehalt an organischer Substanz, Vorhandensein von Sulfiden und der Anteil an Eisenoxiden bestimmen den optimalen Prozesspfad. An einigen Standorten kommen in den Abfällen auch andere wirtschaftlich interessante Metalle — zum Beispiel Magnesium, Eisen oder Aluminium — vor, die mit rückgewonnen werden könnten; dies würde die Wirtschaftlichkeit verbessern, aber das Prozessdesign zusätzlich komplex machen. Ökonomische Modelle müssen daher Co‑Recovery, Kapitalkosten für Pilot‑ und Industriebetriebe, Betriebskosten und Umweltkosten integrieren.
„Was wir beobachten, ist eine Änderung der Festkörperstruktur dieses Materials“, sagt Damilola Daramola, Chemiebiologin an der Northeastern University und Mitglied des Forschungsteams, und beschreibt, wie die kombinierte Behandlung Porosität schafft und eingeschlossene Elemente freisetzt. Diese Aussage unterstreicht, warum diese Forschung ebenso stark in den Bereich Werkstofftechnik wie in die Chemie hineinreicht: Die charakteristischen Skalen der Porenbildung, die thermischen und chemischen Reaktionskinetiken sowie die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmitteln und Feststoffoberflächen bestimmen letztlich die Ausbeuten und Selektivitäten.
Umweltaspekte stehen im Zentrum. Das Nachbearbeiten von Halden könnte den Flächenbedarf für Neumining verringern, den Transport von Erzen über Ozeane reduzieren und bestehende Lagerstätten sicherer machen, indem reaktive Volumina minimiert werden. Dennoch sind sorgfältige Lebenszyklusanalysen erforderlich: Energieeinsatz, Entsorgung von Reagenzien und potenzielle Sekundärverschmutzung müssen gegen den Nutzen der rückgewonnenen Seltenen Erden abgewogen werden. Dazu gehören auch Bewertungen von CO2‑Bilanz, Wasserverbrauch und Risiken durch Sulfat‑ oder Schwermetall‑Ausschwemmungen. Regulatorische Vorgaben, Anforderungen an Abfall‑ und Wasserbehandlung sowie die Kosten für sichere Reagenzienlagerung und Neutralisation spielen eine zentrale Rolle bei der Entscheidung, ob ein Aufarbeitungsprojekt wirtschaftlich und ökologisch vertretbar ist.
Experteneinschätzung
Dr. Lena Ortiz, eine Materialwissenschaftlerin, die sich mit kritischen Mineralien beschäftigt, kommentiert: „Innovationen wie die mikrowellenunterstützte Vorbehandlung sind vielversprechend, weil sie das Grundproblem angehen — REE, die in komplexen mineralischen Wirten gefangen sind. Dennoch wird der Übergang zu industriellen Abläufen Pilotanlagen, adaptive Prozesskonzepte für lokale Geologien und Wirtschaftsmodelle erfordern, die co‑gewonnene Elemente und Umweltvorteile angemessen bewerten. Es ist ein spannender Weg, aber keine Plug‑and‑Play‑Lösung.“
Der Weg nach vorn wird technische Verfeinerung, Pilotdemonstrationen und Interesse aus der Industrie benötigen. Stimmen diese Faktoren überein, könnten die Haufen von Kohlehalden, die einst ökologische Probleme darstellten, zu strategischen Lagerstätten für Metalle und Seltene Erden werden, die wir für den Aufbau einer saubereren Zukunft benötigen. Solche Ansätze würden die Rohstoffversorgung resilienter machen, die Abhängigkeit von Monopolanbietern reduzieren und die Kreislaufwirtschaft in der Bergbau‑ und Energiebranche stärken. Zusätzlich könnten gezielte Forschung zu Prozessintegration, Reagenzien‑Recycling und dezentralen Aufbereitungsanlagen die ökonomische und ökologische Bilanz weiter verbessern und den Übergang zu einer nachhaltigeren Rohstoffwirtschaft beschleunigen.
Quelle: sciencealert
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