Wege aus der Abhängigkeit

Weil Deutschland keine wirtschaftlich erschließbaren natürlichen Vorkommen von Seltenen Erden besitzt, ist es wichtig, bei den Bezugsquellen breit aufgestellt zu sein. Große Vorkommen außerhalb Chinas existieren etwa auf Grönland. Dort gibt es allerdings keine politische Mehrheit für den Abbau. Anders ist die Situation in Norwegen: Dort laufen gerade die Umweltprüfungen. Auch bei einer gerade gefundenen Lagerstätte in Nordschweden soll möglichst bald geklärt werden, ob die Seltenen Erden darin umweltverträglich und gleichzeitig wirtschaftlich abgebaut werden können. Außerdem wurden kürzlich im Süden Marokkos einige Lagerstätten entdeckt. Bislang importiert Deutschland jedoch keine Seltenen Erden aus diesen Ländern.

Vom Acker auf den Meeresboden

Wissenschaftler Michael Bau sieht für den Bezug Seltener Erden eine überraschend einfache Lösung. Die meisten Metalle der Seltenen Erden stecken in großer Menge in einem Alltagsgut, das Bauern weltweit auf ihren Feldern verschleudern: Phosphat-Dünger. Gewonnen wird der Dünger aus dem Meeresboden, unter anderem vor Brasilien und Florida. „Seltene Erden verhalten sich chemisch sehr ähnlich wie das Calcium in marinen Phosphat-Sedimenten, die zum Beispiel aus Haizähnen oder Fischgräten entstehen“, erläutert Bau. „Deshalb können Selten-Erd-Ionen aus dem Porenwasser im Meeresboden in die Phosphate einwandern und dort die Calzium-Ionen ersetzen.“ So reichern sich die Seltenen Erden nach und nach in den Sedimenten an.

Eigentlich muss man den Meeresboden nur noch an die Oberfläche befördern und die Seltenen Erden aus den Phosphaten extrahieren. Das Verfahren ist kompliziert. „Doch technisch ist man in der Lage dazu“, sagt Bau. Entsprechende Patente liegen, zumindest zu einem bedeutenden Teil, bei heimischen Chemieunternehmen. Der Forscher ist überzeugt, dass Deutschland seinen Bedarf an Seltenen Erden nahezu komplett aus Phosphat-Dünger decken könne. Bau weist auf Japan hin, das bereits kurz davorstehe, Tiefsee-Sedimente vor der eigenen Küste abzubauen, um Chinas Willkür zu entgehen.

Recycling selten lohnend

Inzwischen größtenteils bekannt sind die chemischen Wege, um Seltene Erden zu recyceln. Doch das Problem ist die oft fehlende Wirtschaftlichkeit wegen der geringen Mengen in den einzelnen Produkten. „In vielen kleinteiligen Massengütern wie Mobiltelefonen stecken die Stoffe sozusagen in homöopathischen Dosen“, sagt Bau.

Auch die Rückgewinnung von Seltenen Erden aus deutschen Abwässern und Gewässern taugt nicht zur Rohstoffsicherung. Gadolinium etwa wird als Kontrastmittel in der bildgebenden Diagnostik eingesetzt und kommt in relativ hoher Konzentration im Abwasser von Kliniken vor. Zudem hat das Team von der Jacobs University Bremen in Flüssen und Seen erhöhte Mengen Gadolinium nachgewiesen, vermutlich aufgrund von Abwassereinleitungen. „Aus Sicht des Umweltschutzes sind die gemessenen Konzentrationen bedenklich, aber zu niedrig, um als Rohstoffquelle zu dienen“, sagt Michael Bau.

Mit Filz nach Lanthan fischen

In vergleichsweise hoher Konzentration gelangt dagegen die Seltene Erde Lanthan in Worms in den Rhein. „Dort gibt es einen Katalysatoren-Produzenten, der laut unseren Messungen mit Genehmigung pro Jahr mehrere Tonnen Lanthan in den Fluss leitet“, berichtet Bau. „Die Firma darf das, weil bislang nicht nachgewiesen ist, dass Lanthan die Umwelt schädigt.“ Das Deutsche Textilforschungszentrum Nordwest in Krefeld (DTNW) arbeitete an einem Verfahren, um das Lanthan aus dem Wasser zu extrahieren. Als Filter diente ein Polyesterfilz, beladen mit Polyacrylsäure. Ein Erfolg des Verfahrens blieb jedoch vorerst aus.

Auch in deutschen Wasserlinsen stecken Seltene Erden. Die Grünpflanzen, die auf der Oberfläche stehender Gewässer vorkommen, gelten als Hyperakkumulatoren: Sie nehmen die Rohstoffe aus der Umwelt auf, sodass sie sich in den Pflanzen anreichern. Die Konzentration kann dann bis zu 100.000-fach so hoch sein wie in der Umwelt. „Das bietet vereinzelt ein gewisses Potenzial zur Selten-Erd-Gewinnung – zumindest im Umfeld von Bergbau-Halden, wo sich die begehrten Elemente aus dem Abraum lösen und ins Wasser einsickern“, urteilt Bau.

Große Mengen Seltene Erden stecken dagegen in großen Offshore-Windanlagen: pro Turbine bis zu 800 Kilogramm Neodym und 300 Kilogramm des deutlich teureren Dysprosiums. Trotzdem gibt es hierzulande kaum echte Rückgewinnung, weil die Verfahren unter hiesigen Arbeitsschutz- und Umweltschutzauflagen als nicht wirtschaftlich gelten. Zwar existieren Sammelstellen, aber das eigentliche Recycling findet meist in China statt. Somit bleibt die Abhängigkeit vom Reich der Mitte bestehen.

Kein Bedarf mehr im Elektromotor

Probleme beim Bezug Seltener Erden lassen sich noch tiefgreifender lösen, dachte sich die Ingenieurswissenschaftlerin Nejila Parspour von der Universität Stuttgart: Die Expertin für kontaktlose Energieübertragung entwickelte mit ihrem Team am Stuttgarter Institut für Elektrische Energiewandlung einen neuartigen E-Automotor, der ohne Seltene Erden funktioniert.

Herkömmliche E-Motoren bestehen im Wesentlichen aus zwei elektromagnetischen Komponenten. Im stehenden Teil, dem Stator, sind die stromführenden Wickelungen untergebracht. Der zweite Teil, der Rotor, überträgt das Drehmoment aufs Getriebe. Bei den Rotoren gibt es wiederum zwei Arten: Der gängige ist der permanentmagnetisch erregte Rotor, auf dem Selten-Erd-haltige Permanentmagnete installiert sind. Sie bestehen häufig aus einer Neodym-Eisen-Bor-Verbindung. Permanentmagnete – der Name lässt es erahnen – sind aufgrund ihrer hohen magnetischen Energiedichte dauerhaft aufgeladen, sie benötigen also keine externe Stromzufuhr. Im Gegensatz dazu sind auf dem elektrisch erregten Rotor Elektromagnete installiert, die zwar keine Seltenen Erden, dafür jedoch eine stete Energieversorgung benötigen. Weil der Rotor sich im Betrieb unablässig dreht, erfolgt diese Versorgung bislang üblicherweise mittels kontaktbehafteter Schleifringe. Das Problem: Die Ringe nutzen sich ab, zudem wird der Kontakt bei sehr hohen Drehzahlen schwächer und der Stromfluss gestört.

Parspour und ihr Team fanden einen Weg, den elektrisch erregten Rotor kontaktlos mit Strom zu versorgen, damit er haltbarer und zuverlässiger ist: „Wir dachten uns, wenn man ein E-Auto kabellos aufladen kann und dabei 20 Kilowatt über einige Zentimeter hinweg durch die Luft fließen lässt, muss es auch möglich sein, jene 0,5 bis 2 Kilowatt, die wir für den elektrisch erregten Rotor brauchen, über eine Distanz von wenigen Millimetern zu schicken“, sagt die Forscherin. „Und wir haben es geschafft: per Induktion.“ Möglich ist dies dank eines speziellen Magnetfeldes, durch das die Spannung kontaktlos auf Kupferspulen gespeist wird, die in den Rotor integriert sind. Die für die Induktion nötige Installation lässt sich platzsparend im Hohlraum der Rotorwelle einbauen.

Geringere Kosten, größere Reichweite

Parspours Maschinen sind nicht nur ressourcenschonender als Selten-Erd-haltige E-Motoren. Sie sind auch kostengünstiger, leichter und effizienter: „Laut standardisierter Fahrzyklus-Tests auf Strecken, die sowohl Stadt- als auch Schnellstraßenabschnitte beinhalten, haben unsere Maschinen mehr Reichweite als vergleichbare permanentmagnetisch erregte E-Motoren“, freut sich die Forscherin. Sie hofft nun auf Partner aus der Industrie, um ihre Prototypen zur Serienreife zu bringen. „Interessanterweise verzeichnen wir das größte Interesse aus Asien“, verrät Parspour, die nur einen Steinwurf von Mercedes oder Porsche entfernt arbeitet.

Ihr Konzept, das im Wesentlichen bereits patentgeschützt ist und den Namen iEESM trägt (induktiv elektrisch erregte Synchron-Maschine), könnte nicht nur die E-Mobilität revolutionieren, sondern auch die Energiewende. „Unsere Maschine lässt sich ebenso als Elektrogenerator einsetzen“, ist die Erfinderin überzeugt: „Von der physikalischen Anordnung her sind Motoren und Generatoren nämlich das Gleiche – nur, dass der Motor elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, während der Generator mechanische Energie in elektrische Energie transformiert.“ Folglich ist denkbar, dass auch die großen Windkraftanlagen bald ohne Permanentmagneten und damit ohne Seltene Erden auskommen.