«Technology Briefing» über knapp werdende Rohstoffe – Keine Zukunft ohne seltene Metalle

«Es gibt keine Zukunft ohne seltene Metalle!» Mit dieser klaren Ansage begrüsste Empa-Direktionsmitglied Peter Hofer die Gäste des Technology Briefing «Seltene Metalle» an der Empa-Akademie.

So bringen seltene Metalle etwa – eingebaut in Batterien und Motoren – Elektrofahrzeuge ins Rollen oder sorgen in Autokatalysatoren für die Reinigung von Abgasen. Hofer: «Um Lösungen für unseren immer höheren Mobilitätsbedarf und die daraus erwachsenden Probleme zu finden, sind Materialien mit speziellen Eigenschaften unerlässlich.» Aus seltenen Erden, die wie die Rohstoffe Gallium, Indium, Kobalt und wie Platinmetalle zu den seltenen Metallen gerechnet werden, lassen sich beispielsweise – in Verbindungen mit Eisen und Bor – stärkste Magnete für Windturbinen anfertigen. Und für Kondensatoren auf Handy-Leiterplatinen wird in der Mikroelektronik gerne auf Tantal zurückgegriffen, da dieses Übergangsmetall elektrische Energie auch als winzig kleines Bauteil in hohen Kapazitäten speichern und freisetzen kann. Die Nachfrage ist gross: Mehr als 60 Prozent des abgebauten Tantals fliessen in diesen Anwendungsbereich.

Die dunkle Seite

Doch alles hat eine Kehrseite, erläuterte Patrick Wäger, Initiator dieses Technology Briefing und Experte für seltene Metalle in der Empa-Abteilung «Technologie und Gesellschaft». Rohstoffe, die nur in einigen wenigen Ländern abgebaut und raffiniert werden können, nicht einfach zu ersetzen sind und eine geringe Recyclingrate haben, sind grundsätzlich als kritisch zu beurteilen. China beispielsweise bestimmt praktisch vollständig das Angebot von seltenen Erden, aus denen etwa Hochleistungs-Permanentmagnete hergestellt werden. Exporteinschränkungen der chinesischen Regierung haben hier zu einem Anstieg der Preise und zu Lieferengpässen geführt.

Um diese Abhängigkeit zu reduzieren, werden derzeit grosse Anstrengungenunternommen, Versorgungskapazitäten ausserhalb Chinas aufzubauen, etwa in den USA, Australien oder Grönland – mit entsprechenden Konsequenzen für die Umwelt.

Das zum Bau leistungsfähiger Mikrokondensatoren verwendete Tantal gilt in der Mikroelektronikbranche als kaum substituierbar und lässt sich bisher aus den Geräten nicht zurückgewinnen. Besonders problematisch daran ist, dass es in zentralafrikanischen Ländern in illegalen Minen unter menschenunwürdigen Bedingungen abgebaut wird und seine Verkaufserlöse verwendet werden, um Bürgerkriege zu finanzieren. «Auch Schweizer Unternehmen müssen sich damit auseinandersetzen, wie sie Abhängigkeiten reduzieren und möglichen Lieferengpässen begegnen können», bemerkte Jean-Philippe Kohl, Leiter Wirtschaftspolitik von Swissmem.

Eine kürzlich erfolgte Umfrage bei den Verbandsmitgliedern der Schweizer Maschinen-, Elektro- und Metallindustrie habe gezeigt, dass sämtliche Unternehmen mindestens einen der kritischen Rohstoffe verwenden. Um sich vor Versorgungsengpässen zu schützen, schliessen viele Unternehmen langfristige Lieferverträge ab oder sie kooperieren mit Forschungsinstitutionen, um Ersatzrohstoffe oder alternative Technologien zu entwickeln oder bestehende Prozesse zu optimieren.

Alternativen aus der Forschung

So erklärte beispielsweise Stephan Bücheler, wie in der Empa-Abteilung «Dünnfilme und Fotovoltaik» in den flexiblen Solarzellen, die auf Cadmiumtelluridbasis (CdTe) basieren, die Schichtdicke des kritischen Tellurs reduziert werden kann und bei Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (kurz CIGS) das kritische Indiumoxid sich durch Zinkoxid ersetzen lässt. Damit soll aber keineswegs eine Leistungseinbusse einhergehen; vielmehr ist das Ziel, mit optimaler Rohstoffausnutzung und schnelleren Prozessen höhere Wirkungsgrade zu erlangen. Das haben die Forscher bereits letztes Jahr mit neuen Effizienzrekorden gezeigt.
Ebenfalls um weniger seltene Metalle einzusetzen, entwickelte die Abteilung «Verbrennungsmotoren» einen äusserst effizienten und kostengünstigen Schaumkatalysator. Durch die Formänderung des keramischen Substrats können – im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatoren – die Edelmetalle Platin, Palladium und Rhodium eingespart werden. Gemeinsam mit der Abteilung «Festkörperchemie und Katalyse» forschen die «Verbrennungsmotoren» nun an regenerativen Abgaskatalysatoren, die anstatt auf seltenen Metallen auf Perowskiten beruhen – multifunktionalen Metalloxiden, die aufgrund ihrer speziellen Kristallstruktur in der Lage sind, Wärme direkt in elektrische Energie umzuwandeln.

Herausforderung «Recycling»

Trotzdem – ganz auf seltene Metalle verzichten, müssen wir nicht. Wie Heinz Böni, Leiter der Abteilung «Technologie und Gesellschaft», festhielt, gibt es durchaus noch einen «Vorrat» an seltenen Metalle: in unseren ausrangierten Elektrik- und Elektronikprodukten. Die natürlichen Lagerstätten werden abgebaut, dievon Menschen geschaffenen, «anthropogenen» Lager füllen sich dagegen kontinuierlich. Auch die Konzentrationen sprechen für einen «Abbau» in den «sekundären» Lagerstätten: In einer natürlichen Mine finden sich in einer Tonne Material durchschnittlich fünf Gramm Gold, in einem Handy hingegen schlummern 280 Gramm und in einer Leiterplatte gar 1.4 Kilogramm, beides pro Tonne. Doch die Rückgewinnung ist alles andere als einfach. «Die seltenen Metalle sind nicht einfach mit Schraubenzieher und Hammer aus den Geräten rauszuholen. Die Rückgewinnung ist mindestens so komplex wie das Design bei der Entwicklung der Geräte», brachte es der Recycling-Experte Christian Hagelüken von Umicore, eine der grössten Recyclingfirmen zur Gewinnung von Edelmetallen aus komplexen Materialien, auf den Punkt. Ein Grossteil der seltenen Metalle sei nur in Legierungen vorhanden oder würde dünnflächig verwendet. Um diese herauszulösen, brauche es sehr komplizierte Rückgewinnungsverfahren.

Doch geeignete Rückgewinnungsverfahren allein reichen nicht aus, um höhere Recyclingraten zu erzielen.

Wichtig, so die Experten, sei es, die ganze Recyclingkette im Auge zu behalten, von der Sammlung über die Zerlegung und Sortierung bis zur eigentlichen Rückgewinnung. Denn es nütze alles nichts wenn, wie in einigen Ländern der Fall, ausgediente Computer und andere Elektronikgeräte in Entwicklungs- und Schwellenländer exportiert werden, wo durch unsachgemässes Verarbeiten der Geräte die seltenen Metalle verloren gehen und Gefahren für Umwelt und Gesundheit entstehen. Oder seltene Metalle bei einer – heute in der Schweiz üblichen, meist mechanischen – Zerlegung der Geräte in Gemische gelangten, aus denen sie nicht zurückgewonnen werden können.