Mobilität und Energie
Permanentmagnete in Elektrofahrzeugen, Generatoren von Windkraftanlagen, Nickel-Metallhydrid-Batterien und Hochtemperaturlegierungen.
Seltene Erden
Seltene Erden sorgen immer wieder für Schlagzeilen. Mit Seltenen Erden — die Bezeichnung wird nicht einheitlich verwendet und von der Öffentlichkeit oft missverstanden — sind in der Regel die „Metalle der Seltenen Erden“ gemeint. Es handelt sich dabei um 17 Elemente des Periodensystems mit ähnlichen chemischen Eigenschaften: die fünfzehn Lanthanoide der Ordnungszahlen 57 bis 71 — Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium — sowie Scandium und Yttrium mit den Ordnungszahlen 21 und 39. Diese Metalle haben ungewöhnliche Eigenschaften, die sie so besonders und für viele Anwendungen unersetzlich machen.
Ein verwirrender Name
Die Bezeichnung Seltene Erden ist jedoch missverständlich. Geologisch gesehen sind diese Metalle mit Ausnahme von Promethium in der Erdkruste gar nicht so selten. Der Name stammt aus der Zeit ihrer Entdeckung im 18. Jahrhundert, als sie in Mineralien entdeckt wurden, die man damals für selten hielt. Verwirrend ist auch die Bezeichnung „Erden“, die historisch begründet ist: es handelt sich um die alte Bezeichnung für Oxide. In der Natur kommen Seltene Erden nur in komplexen, mineralogischen Verbindungen vor.
Einige unter ihnen wie Cer, Yttrium und Neodym sind sogar häufiger anzutreffen als etwa Chrom, Nickel oder Kupfer. Tatsächlich selten sind wirtschaftlich abbauwürdige Lagerstätten. Seltene Erden werden in Gruppen unterteilt: die leichten Seltenen Erden, die häufiger sind und bei der Raffination als erste anfallen, die mittleren Seltenen Erden Samarium, Europium und Gadolinium sowie die schweren Seltenen Erden Terbium, Dysprosium und die darauffolgenden Lanthanoide.
Chinas Dominanz
Die größten bekannten Reserven befinden sich in China, wo auch rund 60 Prozent der Seltenen Erden weltweit abgebaut werden. Bei der Raffination hat China sogar einen Marktanteil von über 80 Prozent. Dies ist auch der Grund, warum Seltene Erden immer wieder für Schlagzeilen sorgen. Denn das Reich der Mitte setzt sein Quasi-Monopol auf die Herstellung Seltener Erden geopolitisch als Druckmittel ein.
Die Metalle der Seltenen Erde besitzen ungewöhnliche fluoreszierende, leitfähige und magnetische Eigenschaften. Das macht sie schon in kleinen Mengen extrem nützlich: In Legierungen oder als Beimischung ermöglichen sie ganz spezifische Anwendungen, die von alltäglichen Haushaltsgeräten über E-Autos und Windkraftanlagen bis hin zu Hochpräzisionswaffen und Atom-U-Booten reichen.
Radioaktive Nebenwirkungen
In der Natur kommen die Seltenerdelemente meist miteinander vergesellschaftet vor, oft auch gemeinsam mit den radioaktiven Elementen Uran und Thorium. Dies macht den Abbau und vor allem die weitere Gewinnung heikel. Wegen ihren ähnlichen chemischen Eigenschaften gestaltet sich zudem ihre Trennung voneinander schwierig, was den Prozess energieintensiv und kostspielig macht. Um kleine Mengen herzustellen, werden große Erzmengen benötigt.
Aus den Verarbeitungsprozessen bleiben radioaktives Wasser, giftiges Fluor und Säuren zurück, die ein hohes Risiko für Umwelt und Gesundheit darstellen. Strenge Umweltauflagen, höhere Arbeits- und Energiekosten haben die Gewinnung Seltener Erden im Laufe der Zeit aus den USA und Europa nach China verschoben. Immer wieder nützt Peking seine dominante Stellung als Hersteller, was zu Knappheit und Preisexplosionen führt.
Mission Lieferkettensicherheit
Die EU und Nordamerika bemühen sich mit angepassten Rohstoffgesetzen und -strategien ihren Industrien einen zuverlässigen Zugang zu Seltenen Erden unabhängig von China zu ermöglichen und Chinas Monopol bei Seltenen Erden und nachgelagerten Produkten wie Dauermagneten zu brechen. Es werden neue Lagerstätten für die Erschließung im eigenen Territorium gesucht, Partnerschaften mit rohstoffreichen und gleichgesinnten Ländern geschlossen und das Recycling vorangetrieben.
Das Periodensystem der Elemente mit den Seltenen Erden
| 1H | 2He | |||||||||||||||||
| 3Li | 4Be | 5B | 6C | 7N | 8O | 9F | 10Ne | |||||||||||
| 11Na | 12Mg | 13Al | 14Si | 15P | 16S | 17Cl | 18Ar | |||||||||||
| 19K | 20Ca | 21Sc | 22Ti | 23V | 24Cr | 25Mn | 26Fe | 27Co | 28Ni | 29Cu | 30Zn | 31Ga | 32Ge | 33As | 34Se | 35Br | 36Kr | |
| 37Rb | 38Sr | 39Y | 40Zr | 41Nb | 42Mo | 43Tc | 44Ru | 45Rh | 46Pd | 47Ag | 48Cd | 49In | 50Sn | 51Sb | 52Te | 53I | 54Xe | |
| 55Cs | 56Ba | 57La | 57–71 | 72Hf | 73Ta | 74W | 75Re | 76Os | 77Ir | 78Pt | 79Au | 80Hg | 81Tl | 82Pb | 83Bi | 84Po | 85At | 86Rn |
| 87Fr | 88Ra | 89Ac | 89–103 | 104Rf | 105Db | 106Sg | 107Bh | 108Hs | 109Mt | 110Ds | 111Rg | 112Cn | 113Nh | 114Fl | 115Mc | 116Lv | 117Ts | 118Og |
| Lanthanoide | 58Ce | 59Pr | 60Nd | 61Pm | 62Sm | 63Eu | 64Gd | 65Tb | 66Dy | 67Ho | 68Er | 69Tm | 70Yb | 71Lu | ||||
| Actinoide | 90Th | 91Pa | 92U | 93Np | 94Pu | 95Am | 96Cm | 97Bk | 98Cf | 99Es | 100Fm | 101Md | 102No | 103Lr | ||||
Klicken Sie auf ein verlinktes Element, um mehr über Preise, Vorkommen, Gewinnung und Verwendung zu erfahren.
Geschichte
Die Entdeckungsgeschichte begann 1787 in der Grube Ytterby bei Stockholm. Aus einem dort gefundenen schwarzen Mineral isolierte Johan Gadolin 1794 eine unbekannte „Erde“. Im 19. Jahrhundert wurden aus den komplexen Mineralgemischen nach und nach weitere Elemente abgetrennt. Die Trennung erforderte oft tausende wiederholte Kristallisations- und Fällungsschritte.
Spektroskopische Methoden beschleunigten die Identifikation. Carl Auer von Welsbach trennte Praseodym und Neodym und machte Seltene Erden mit Gasglühstrümpfen sowie Cer-Eisen-Zündsteinen erstmals großtechnisch nutzbar. Im 20. Jahrhundert wurden sie für Leuchtstoffe, Spezialgläser, Katalysatoren und Permanentmagnete immer wichtiger.
Seit den 1980er Jahren verlagerte sich die Wertschöpfung zunehmend nach China. Niedrige Produktionskosten, große Lagerstätten und der Aufbau vollständiger Lieferketten von der Mine bis zum Magneten führten zu einer dominierenden Marktposition.
Vorkommen und Lagerstätten
Seltenerdelemente kommen meist gemeinsam in Mineralen vor. Zu den wichtigsten Rohstoffen gehören Bastnäsit, Monazit, Loparit und ionenadsorbierende Laterittone. Bastnäsit liefert überwiegend leichte Seltene Erden, während Laterittone besonders für schwere Seltene Erden und Yttrium wichtig sind.
Große Produktionsstätten befinden sich unter anderem in Bayan Obo in China, Mountain Pass in den USA und Mount Weld in Australien. Weitere bedeutende Vorkommen gibt es in Brasilien, Indien, Russland, Vietnam, Grönland, Schweden und Norwegen.
Seltenerdgehalt ausgewählter Lagerstätten in Prozent
| Element | Mountain Pass | Bayan Obo | Mt. Weld | Lehat | Longnan | Xunwu | Kola |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| La | 33,8 | 23,0 | 25,5 | 1,2 | 1,8 | 43,4 | 25,0 |
| Ce | 49,6 | 50,0 | 46,7 | 3,1 | 0,4 | 2,4 | 50,5 |
| Pr | 4,1 | 6,2 | 5,3 | 0,5 | 0,7 | 9,0 | 5,0 |
| Nd | 11,2 | 18,5 | 18,5 | 1,6 | 3,0 | 31,7 | 15,0 |
| Sm | 0,9 | 0,8 | 2,3 | 1,1 | 2,8 | 3,9 | 0,7 |
| Eu | 0,1 | 0,2 | 0,4 | Spuren | 0,1 | 0,5 | 0,1 |
| Gd | 0,2 | 0,7 | <0,1 | 3,5 | 6,9 | 3,0 | 0,6 |
| Dy | – | 0,1 | 0,1 | 8,3 | 6,7 | Spuren | 0,6 |
| Y | 0,1 | Spuren | <0,1 | 61,0 | 65,0 | 8,0 | 1,3 |
Mineralien und Erze
Von etwa 160 bekannten seltenerdhaltigen Mineralen werden nur wenige kommerziell genutzt. Bastnäsit, Monazit, Loparit und Laterittone stellen den größten Teil der Versorgung. Weitere mögliche Quellen sind Apatit, Euxenit, Gadolinit, Xenotim, Allanit, Fluorit, Perowskit und Zirkon.
| Mineral | Idealisiertes Vorkommen | Typischer Schwerpunkt |
|---|---|---|
| Allanit | (Ca,Fe)(R,Al,Fe)₃Si₃O₁₃H | Leichte Lanthanoide |
| Apatit | Ca₅(PO₄)₃F | Leichte Lanthanoide |
| Bastnäsit | RCO₃F | Leichte Lanthanoide, 60–70 % |
| Euxenit | R(Nb,Ta)TiO₆ · xH₂O | Schwere Lanthanoide und Yttrium |
| Gadolinit | R₂(Fe,Be)₃Si₂O₁₀ | Schwere Lanthanoide und Yttrium |
| Laterittone | SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ | Schwere Lanthanoide und Yttrium |
| Loparit | (R,Na,Sr,Ca)(Ti,Nb,Ta,Fe)O₃ | Leichte Lanthanoide |
| Monazit | RPO₄ | Leichte Lanthanoide, häufig thoriumhaltig |
| Xenotim | RPO₄ | Schwere Lanthanoide und Yttrium |
| Zirkon | ZrSiO₄ | Leichte und schwere Lanthanoide |
Bastnäsit
Bastnäsit ist ein Fluorcarbonat und eine der wichtigsten Quellen für leichte Seltene Erden. Der vergleichsweise geringe Thoriumgehalt erleichtert gegenüber Monazit häufig die Aufbereitung und Entsorgung.
Monazit
Monazit weist oft hohe Seltenerdgehalte auf, enthält jedoch meist Thorium. Der Umgang mit radioaktiven Rückständen erhöht Aufwand und Kosten der Verarbeitung.
Ionenadsorptionstone
Diese südchinesischen Laterittone enthalten geringere Gesamtgehalte, sind aber wegen ihres Anteils an schweren Seltenen Erden wirtschaftlich bedeutend.
Gewinnung und Trennverfahren
Aufbereitung der Erze
Nach Zerkleinerung und Mahlung werden die seltenerdhaltigen Minerale durch Flotation, magnetische Trennung oder gravimetrische Verfahren angereichert. Anschließend werden die Konzentrate je nach Mineral mit Säuren oder Laugen aufgeschlossen.
Ionenaustausch
Beim Ionenaustausch werden gelöste Seltenerdionen an ein Harz gebunden und mit Komplexbildnern nacheinander eluiert. Das Verfahren liefert hohe Reinheiten, ist für sehr große Stoffströme jedoch vergleichsweise langsam.
Lösungsmittelextraktion
Die heute wichtigste industrielle Trenntechnik verteilt die gelösten Metalle zwischen einer wässrigen und einer organischen Phase. Viele hintereinandergeschaltete Misch- und Absetzstufen ermöglichen die Trennung chemisch sehr ähnlicher Elemente.
Herstellung der Metalle
Je nach Schmelzpunkt und Dampfdruck kommen kalziothermische, elektrolytische oder lanthanothermische Verfahren zum Einsatz. Lanthan, Cer, Praseodym und Neodym können elektrolytisch gewonnen werden. Hochschmelzende Elemente werden häufig aus Fluoriden mit Calcium reduziert. Samarium, Europium, Thulium und Ytterbium werden wegen ihres hohen Dampfdrucks oft lanthanothermisch hergestellt.
Physikalische Eigenschaften
Die Lanthanoide sind silbrig glänzende, relativ weiche und reaktive Metalle. Ihre Eigenschaften ändern sich über die Reihe nur graduell. Eine wichtige Ursache ist die sogenannte Lanthanoidenkontraktion: Der Atom- und Ionenradius nimmt mit steigender Ordnungszahl ab.
Elektronische und optische Eigenschaften
Teilbesetzte 4f-Elektronenschalen erzeugen charakteristische, scharfe Absorptions- und Emissionslinien. Europium, Terbium und Thulium liefern intensive rote, grüne und blaue Lumineszenz und werden deshalb in Leuchtstoffen, Displays, LEDs und Sicherheitsmarkierungen eingesetzt.
Magnetische Eigenschaften
Ungepaarte 4f-Elektronen verursachen starke magnetische Momente. Neodym-Eisen-Bor- und Samarium-Kobalt-Magnete erreichen sehr hohe Energiedichten. Dysprosium und Terbium verbessern die Temperaturbeständigkeit bestimmter Magnetwerkstoffe.
Nukleare Eigenschaften
Einige Isotope besitzen große Neutroneneinfangquerschnitte. Gadolinium, Samarium und Europium werden deshalb in Reaktortechnik, Abschirmung und Messtechnik verwendet. Promethium ist radioaktiv und kommt natürlich nur in äußerst geringen Mengen vor.
Chemische Eigenschaften und Verbindungen
Die häufigste Oxidationsstufe ist +3. Cer kann zusätzlich stabile vierwertige Verbindungen bilden, Europium und Ytterbium auch zweiwertige. Seltenerdoxide sind technisch besonders wichtig: Ceroxid dient unter anderem als Katalysator- und Poliermaterial, Yttriumoxid als keramischer Stabilisator und Europium- beziehungsweise Terbiumverbindungen als Leuchtstoffe.
Legierungen und Magnete
Mischmetall wird als Legierungszusatz und für Zündsteine verwendet. NdFeB-Magnete finden sich in Elektromotoren, Windkraftanlagen, Lautsprechern, Festplatten und medizinischen Geräten. SmCo-Magnete bleiben bei hohen Temperaturen besonders stabil.
Katalysatoren, Glas und Keramik
Seltene Erden stabilisieren Zeolithe in Raffineriekatalysatoren, färben oder entfärben Spezialgläser und verbessern die Eigenschaften technischer Keramiken. Ceroxid kann Sauerstoff speichern und abgeben und ist daher Bestandteil moderner Fahrzeugkatalysatoren.
Anwendungen
Elektronik und Optik
Displays, LEDs, Laser, Glasfasern, Kameralinsen, Sensoren, Lautsprecher und Datenspeicher.
Industrie und Chemie
Katalysatoren, Poliermittel, Metallurgie, Spezialkeramik, Glasherstellung und Prozessmesstechnik.
Medizin und Forschung
MRT-Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis, Laser, Szintillatoren, Neutronenabsorber und diagnostische Systeme.
Toxizität, Umwelt und Arbeitsschutz
Die Metalle gelten nicht pauschal als hochgiftig, doch Wirkung und Risiko hängen stark von Verbindung, Dosis und Aufnahmeweg ab. Feine Stäube, lösliche Salze und Prozesschemikalien können Atemwege, Haut und Organe belasten. Bestimmte Gadolinium-Kontrastmittel erfordern bei schwerer Nierenfunktionsstörung besondere Vorsicht.
Die größten Umweltprobleme entstehen häufig nicht durch das Endprodukt, sondern durch Bergbau, chemischen Aufschluss und Rückstände. Säuren, Fluoride sowie thorium- und uranhaltige Abfälle müssen kontrolliert behandelt und dauerhaft sicher gelagert werden. Geschlossene Wasserkreisläufe, Emissionskontrollen und Recycling reduzieren die Belastung.
Recycling und Versorgungssicherheit
Recycling aus Magneten, Batterien, Leuchtstoffen und Elektronikschrott kann die Primärförderung ergänzen. Die Rückgewinnung ist technisch anspruchsvoll, weil Seltene Erden oft nur in kleinen Mengen und komplexen Bauteilen enthalten sind. Produktdesign, Rücknahmesysteme und standardisierte Materialströme entscheiden darüber, ob Recycling wirtschaftlich wird.
Für robuste Lieferketten sind mehrere Maßnahmen nötig: diversifizierte Förderung, Raffinationskapazitäten außerhalb Chinas, strategische Lagerhaltung, effizientere Nutzung, Substitution und konsequentes Recycling.