Seltenerdelemente (REEs) sind die Grundlage moderner Technologie – sie treiben alles an, von Windkraftanlagen und Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen. Obwohl sie in der Erdkruste nicht wirklich selten sind, ist ihre effiziente Gewinnung bekanntermaßen schwierig und kostspielig. Jetzt hat ein Team der Northeastern University eine bahnbrechende Methode vorgestellt, die die Wirtschaftlichkeit der REE-Gewinnung dramatisch verändern könnte, indem sie die riesigen Mengen an Kohlebergbauabfällen nutzt, die bereits weltweit gelagert sind.
Das Problem mit der aktuellen Extraktion
Die traditionelle REE-Gewinnung basiert auf dem Abbau spezieller Lagerstätten, ein Prozess, der sowohl umweltschädlich ist als auch geografisch konzentriert ist (häufig in politisch sensiblen Regionen). Bestehende Versuche, REEs aus Kohlerückständen zu gewinnen – dem Schlamm aus Gestein und Wasser, der beim Kohlebergbau übrig bleibt – wurden durch die geringe Effizienz behindert. Die REEs sind in hartnäckigen Tonmineralien eingeschlossen, was die Trennung äußerst schwierig macht. Diese Ineffizienz stellt einen kritischen Engpass dar: Die Nachfrage nach REEs steigt aufgrund der Energiewende und der High-Tech-Fertigung rasant, aber die Lieferketten bleiben fragil.
So funktioniert der neue Prozess
Das Team der Northeastern University hat einen zweistufigen Prozess entwickelt, der die Extraktionsausbeuten erheblich verbessert. Zunächst werden Kohlerückstände in einer alkalischen Lösung „gekocht“ und dabei mit Mikrowellen erhitzt. Dadurch verändert sich die Struktur der Mineralien, die die Seltenen Erden umhüllen, wodurch sie poröser werden. Zweitens trennt eine Salpetersäurebehandlung die REEs vom restlichen Gestein.
Den Forschern zufolge ist die alkalische Vorbehandlung vor dem Säureaufschluss der Schlüssel. „Die Ergebnisse zeigen, dass die alkalische Vorbehandlung von Kohlerückständen vor dem Säureaufschluss die Effizienz der REE-Extraktion erheblich beeinflusst, wobei die Extraktion in der alkalischen Lösung minimal ist“, schreiben sie. Diese Kombination ermöglicht eine dreifache Effizienzsteigerung im Vergleich zu bestehenden Methoden.
Warum das wichtig ist: Skalierung und Nachhaltigkeit
Die möglichen Auswirkungen sind enorm. Schätzungen gehen davon aus, dass aus 1,5 Milliarden Tonnen Kohleabfällen über 600 Kilotonnen REEs gewonnen werden könnten – und allein die USA lagern in Pennsylvania rund 2 Milliarden Tonnen dieser Abfälle. Dabei geht es nicht nur um Effizienz; Es geht darum, eine Belastung (Giftmüllhaufen) in einen Vermögenswert (kritische Materialien) umzuwandeln.
Das Verfahren zielt speziell auf Neodym ab, ein Schlüsselelement in hochfesten Magneten, die in Elektroautos, Windkraftanlagen und Festplatten verwendet werden. Eine Ausweitung würde die Abhängigkeit vom traditionellen Bergbau verringern, die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette verbessern und möglicherweise die Kosten grüner Technologien senken.
Verbleibende Herausforderungen
Die flächendeckende Umsetzung ist zwar vielversprechend, stößt jedoch auf Hürden. Der Extraktionsprozess ist immer noch teuer und erfordert eine Verfeinerung basierend auf der Mineralzusammensetzung bestimmter Kohlerückstandslagerstätten. Darüber hinaus enthalten Kohlerückstände weitere wertvolle Elemente wie Magnesium, die idealerweise gleichzeitig abgebaut werden würden, um die Wirtschaftlichkeit zu maximieren. Diese Komplexität bedeutet, dass der Einsatz im industriellen Maßstab Zeit und weitere Forschung erfordern wird.
Dennoch stellt der Durchbruch einen bedeutenden Fortschritt bei der Erschließung einer riesigen, ungenutzten Ressource dar. Die Nachfrage nach REEs wird weiter steigen, und dieser neue Ansatz liefert „neue Einblicke in die Mechanismen der REE-Freisetzung und das Potenzial zur Optimierung der alkalischen Vorbehandlung von Kohleabfällen für eine effiziente REE-Gewinnung.“
