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 um 17 Elemente des Periodensystems mit ähnlichen chemischen Eigenschaften: die fünfzehn Lanthanoide mit den 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 besitzen ungewöhnliche fluoreszierende, leitfähige, optische und magnetische Eigenschaften. Schon geringe Beimischungen ermöglichen Anwendungen in Haushaltsgeräten, Smartphones, Displays, E-Autos, Windkraftanlagen, Hochleistungsmagneten, Medizintechnik und militärischen Systemen.
Ein verwirrender Name
Geologisch sind die meisten dieser Metalle – mit Ausnahme des radioaktiven Promethiums – in der Erdkruste nicht außergewöhnlich selten. Der historische Name entstand, weil ihre Oxide zunächst in ungewöhnlichen Mineralien entdeckt wurden. „Erden“ war damals die gebräuchliche Bezeichnung für schwer lösliche Oxide.
In der Natur treten Seltene Erden fast ausschließlich in komplexen mineralogischen Verbindungen auf. Cer, Yttrium und Neodym sind teilweise häufiger als Chrom, Nickel oder Kupfer. Tatsächlich selten sind Lagerstätten, in denen die Elemente ausreichend konzentriert vorkommen und wirtschaftlich sowie ökologisch vertretbar gewonnen werden können.
Die Gruppe wird häufig in leichte, mittlere und schwere Seltene Erden unterteilt. Leichte Elemente fallen bei der Raffination meist zuerst und in größeren Mengen an. Schwere Seltene Erden sind deutlich seltener und für bestimmte Hochleistungsanwendungen besonders wichtig.
Chinas Dominanz
China verfügt über große Reserven und dominiert nicht nur die Förderung, sondern vor allem die Raffination und Weiterverarbeitung. Das Land kontrolliert wesentliche Teile der Lieferkette von der Mine über Oxide und Legierungen bis zu Permanentmagneten. Diese Konzentration macht Seltene Erden zu strategischen Rohstoffen und führt bei Exportbeschränkungen schnell zu Knappheit und Preissprüngen.
Radioaktive Nebenwirkungen
Seltenerdminerale treten häufig gemeinsam mit Uran und Thorium auf. Abbau und Aufbereitung können deshalb radioaktive Rückstände, belastete Prozesswässer, Fluoride und große Mengen chemischer Abfälle erzeugen. Die Trennung ist zudem energie- und chemikalienintensiv, weil sich die Elemente chemisch stark ähneln.
Mission Lieferkettensicherheit
Die Europäische Union, Nordamerika und weitere Industrieregionen versuchen, neue Lagerstätten zu erschließen, Raffinationskapazitäten außerhalb Chinas aufzubauen, Partnerschaften mit rohstoffreichen Ländern zu schließen und Recycling zu fördern. Ziel ist eine breiter aufgestellte Versorgung mit weniger geopolitischen und ökologischen Risiken.
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 | ||||
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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.