Warum sind seltene Erden für die Elektronik unverzichtbar?

„Man muss zwei Sachen zu seltenen Erden wissen: 1. Sie sind nicht selten. 2. Es sind keine Erden“, kommentierte ZVEI-Präsident Dr. Gunther Kegel auf der ZVEI-Jahresauftakt-Pressekonferenz am 18. Januar 2023 den Fund von seltenen Erden in Schweden. Damals gab das schwedische Bergbauunternehmen LKAB bekannt, das größte Vorkommen seltener Erden in Europa entdeckt zu haben. Diese seltenen Erden werden von verschiedenen Industriezweigen gebraucht, sind momentan aber besonders in der Elektromobilität und in der Halbleiterei gefragt. In E-Autos werden sie beispielsweise vor allem für starke Dauermagnete im E-Motor sowie in großen Mengen für Batterien gebraucht.

An dieser Stelle beantworten wir die wichtigsten Fragen rund um die gar nicht so seltenen Erden: etwa "Welche Elemente gehören zu den seltenen Erden?", "Wozu werden sie gebraucht?" und "Woher haben sie ihren missverständlichen Namen?" Für alle, die nur eine Frage interessiert, haben wir ein entsprechendes Inhaltsverzeichnis eingebaut. Viel Spaß beim Lesen.

• Was sind die 17 Seltenelemente?
• Woher haben Seltene Erden ihren Namen?
• Was wird aus Seltenen Erden hergestellt?
• Für was werden Seltene Erden benutzt?
• Warum sind Seltene Erden kritische Rohstoffe?
• Welche Seltenen Erden sind in Elektroautos?
• Welche Seltenen Erden sind in Windrädern?
• Welche Seltenen Erden sind im Handy?
• In welchen Geräten sind Seltene Erden?
• Warum sind die Elemente der Seltenen Erden so wichtig für die Industrie?
• Woher bekommt Deutschland Seltene Erden?
• Wer produziert die meisten Seltenen Erden?
• Wie steht es um das Recycling von Seltenen Erden?

Was sind die 17 Seltenen Erden?

Die 17 Seltenen Erden, auch als Seltenerdmetalle bekannt, sind eine Gruppe von chemischen Elementen im Periodensystem (Lanthanoide), die sich durch ihre ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften auszeichnen. Diese Gruppe umfasst die folgenden Elemente:

1. Lanthan (La) - Oft als das erste Element der Lanthanoiden betrachtet, wird es in der Herstellung von Kamera- und Teleskoplinsen verwendet.
2. Cer (Ce) - Eines der häufigsten Seltenerdmetalle, genutzt in Katalysatoren und für Poliermittel.
3. Praseodym (Pr) - Wird zur Herstellung von Flugzeugmotoren und in der Keramikindustrie verwendet.
4. Neodym (Nd) - Bekannt für seine starke magnetische Kapazität, ist es entscheidend in der Produktion von Permanentmagneten für Elektromotoren und Lautsprecher.
5. Promethium (Pm) - Hauptsächlich in Kernbatterien und als Leuchtstoff in Uhren und Radios genutzt.
6. Samarium (Sm) - Wird in Magneten verwendet, die hohe Temperaturen aushalten können, sowie in Medikamenten zur Krebsbehandlung.
7. Europium (Eu) - Spielt eine wichtige Rolle in der Herstellung von Leuchtstoffen, die in Bildschirmen und Leuchten verwendet werden.
8. Gadolinium (Gd) - Wird in medizinischen Bildgebungsgeräten und in Kernreaktoren als Neutronenabsorber eingesetzt.
9. Terbium (Tb) - Wichtig für die Herstellung von grünen Leuchtstoffen in Displays und Leuchtdioden.
10. Dysprosium (Dy) - Wird in Neodym-Magneten verwendet, um deren Leistung bei hohen Temperaturen zu verbessern.
11. Holmium (Ho) - Hat die höchste magnetische Stärke aller Elemente und wird in wissenschaftlichen Anwendungen genutzt.
12. Erbium (Er) - Wichtig für die Herstellung von verstärkten Glasfasern in der Telekommunikation.
13. Thulium (Tm) - Wird in tragbaren Röntgengeräten und in Lasern verwendet.
14. Ytterbium (Yb) - Einsatz in der Metallurgie zur Verbesserung der Kornfeinheit von Edelstahl und als Laserquelle.
15. Lutetium (Lu) - Wird in der Petrochemie als Katalysator und in der Medizin für spezielle Krebstherapien eingesetzt.

Zusätzlich zu diesen Lanthanoiden werden oft noch zwei weitere Elemente zu den Seltenen Erden gezählt, obwohl sie nicht zur Lanthanoid-Reihe gehören:

16. Scandium (Sc) - Wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie für leichte Aluminium-Scandium-Legierungen und in Sportgeräten wie Baseballschlägern verwendet.
17. Yttrium (Y) - Wichtig für die Herstellung von Leuchtstoffen und als Material in Mikrowellenfiltern.

Diese Elemente sind entscheidend für viele moderne Technologien und spielen eine Schlüsselrolle in einer Vielzahl von Anwendungen. Ihre einzigartigen Eigenschaften, wie Magnetismus, Lumineszenz und chemische Reaktivität, machen sie unverzichtbar in vielen High-Tech-Bereichen, von Elektronik über Energieerzeugung bis hin zu medizinischen Geräten. Ihre Beschaffung und Verarbeitung sind jedoch herausfordernd, da sie oft in geringen Konzentrationen vorkommen und schwierig zu extrahieren und zu trennen sind.

Woher haben Seltene Erden ihren Namen

Der Begriff "Seltene Erden" führt oft zu Missverständnissen, da er historisch bedingt ist und nicht die tatsächliche Häufigkeit oder Beschaffenheit dieser Elemente widerspiegelt. Die Bezeichnung stammt aus der Zeit, als die Elemente erstmals in seltenen Mineralen entdeckt und als Oxide – damals "Erden" genannt – isoliert wurden. Trotz ihres Namens kommen die meisten dieser Metalle, darunter Cer, Yttrium und Neodym, in der Erdkruste genauso häufig oder sogar häufiger vor als viele häufigere Metalle wie Chrom, Nickel und Kupfer. Die seltensten Metalle der Seltenen Erden, Thulium und Lutetium, kommen in der Erdkruste sogar 200-mal häufiger vor als Gold oder Platin.

Die Herausforderung liegt jedoch nicht im generellen Vorkommen dieser Elemente, sondern in der Verfügbarkeit wirtschaftlich abbaubarer Vorkommen. Selten findet man Vorkommen mit einer Konzentration von über einem Prozent, was den Abbau wirtschaftlich schwierig macht. Die weltweiten Vorkommen an Seltenen Erden beschränken sich daher im Wesentlichen auf wenige Quellen oder sind als Beimengungen in anderen Mineralien enthalten. Die industrielle Produktion dieser Elemente erfolgt häufig als Nebenprodukt bei der chemischen Aufbereitung anderer Metalle wie Niob (Nb), Tantal (Ta) und Zirkonium (Zr) aus deren Erzen.

Für was werden Seltene Erden benutzt?

Seltene Erden haben eine breite Palette von Anwendungen, die von Elektronik über Energielösungen bis hin zu militärischen Systemen reichen. In der Elektronik verbessern sie die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Batterien und Displays. In der Energiebranche werden sie für Magnete in Windturbinen und in Motoren für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Auch in der Medizintechnik finden sie Anwendung in bildgebenden Verfahren und als Legierungselemente in medizinischen Geräten. Ihre einzigartigen magnetischen, lumineszierenden und elektrochemischen Eigenschaften machen sie unverzichtbar für viele fortschrittliche Technologien. Beispielsweise ist Europium verantwortlich für die leuchtende Rotdarstellung in Plasmafernsehern, während Lanthan ebenfalls in dieser Technologie eingesetzt wird. Magnetische Materialien wie Neodym, Praseodym und Samarium sind essenziell für die Herstellung von Dauermagneten, die in Produkten wie Diktiergeräten und Kopfhörern zum Einsatz kommen.

Darüber hinaus sind Seltene Erden wie Neodym, Terbium und Dysprosium Schlüsselkomponenten für die Laserherstellung. Im Bereich der Elektromobilität sind diese Metalle unverzichtbar für die Entwicklung leistungsfähiger Elektromotoren und Batterien. Praseodym und Neodym werden beispielsweise in Elektromotoren verwendet, während Lanthan eine wichtige Rolle in den Nickel-Metallhydrid-Batterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen spielt. Selbst alltägliche Gegenstände wie Feuerzeuge enthalten Seltene Erden; Cer ist ein Hauptbestandteil des Feuersteins und wird auch in selbstreinigenden Öfen als Oxid genutzt.

Hier sind zehn konkrete Beispiele für Anwendungen, die von den Eigenschaften der Seltenen Erden profitieren:

1. Dauermagnete: Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Magnete aus dem Seltenerdmetall Neodym sind extrem leistungsstark. Sie sind entscheidend für den Betrieb von Elektromotoren in Elektroautos und Generatoren in Windkraftanlagen.
2. Leuchtstoffe: Europium und Terbium werden zur Verbesserung der Farbwiedergabe in Leuchtstofflampen und LED-Bildschirmen eingesetzt. Europium trägt vor allem zu den leuchtenden Rot- und Blauanteilen bei, während Terbium für den Grünanteil verantwortlich ist.
3. Batterietechnik: Lanthan wird häufig in Nickel-Metallhydrid-Batterien verwendet, die in vielen Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen.
4. Glaspolieren und -herstellung: Cer wird als Poliermittel in der optischen Industrie und bei der Herstellung von Glas, einschließlich Kameraobjektiven und Brillengläsern, verwendet.
5. Katalysatoren: Cer wird auch in Katalysatoren verwendet, die dazu beitragen, den Schadstoffausstoß von Autoabgasen zu verringern.
6. Keramik: Yttrium verbessert die Hochtemperaturbeständigkeit von Keramikwerkstoffen, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. in Zahnimplantaten und als Isoliermaterial in Motoren.
7. Medizinische Bildgebung: Gadolinium wird als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt, um detailliertere Bilder aus dem Körperinneren zu erhalten.
8. Festplattenlaufwerke: Dysprosium wird verwendet, um die Datenintegrität bei hohen Temperaturen in Festplattenlaufwerken zu gewährleisten.
9. Lasertechnologie: Ytterbium, Erbium und Neodym werden in verschiedenen Lasern verwendet, die in der Medizin, der Fertigung und der Kommunikation eingesetzt werden.
10. Luft- und Raumfahrt: Scandium wird in Aluminium-Scandium-Legierungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet, um leichtere, festere und korrosionsbeständigere Materialien herzustellen.

Warum sind Seltene Erden kritische Rohstoffe?

Seltene Erden sind als kritische Rohstoffe eingestuft, weil sie für moderne Technologien essenziell sind und zugleich Risiken in Bezug auf ihre Versorgung bestehen. Ihre Gewinnung ist oft mit hohen Umweltauswirkungen verbunden, und der Großteil der globalen Versorgung wird durch wenige Länder kontrolliert, hauptsächlich durch China. Diese Faktoren führen zu potenziellen Engpässen und geopolitischen Spannungen, die die Versorgungssicherheit gefährden. Darüber hinaus gibt es nur wenige substituierbare Alternativen für viele ihrer Anwendungen, was ihre strategische Bedeutung weiter erhöht.

Welche Seltenen Erden finden sich in Elektroautos?

In Elektroautos spielen Seltene Erden eine zentrale Rolle, insbesondere Neodym, Praseodym und Dysprosium. Diese Metalle sind unverzichtbar für die Herstellung von Hochleistungsmagneten, die in den Elektromotoren der Fahrzeuge zum Einsatz kommen. Diese Magnete sind entscheidend für die effiziente Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegung, wodurch die Motoren leistungsfähiger und die Autos umweltfreundlicher werden.

Neodym ist aufgrund seiner hohen magnetischen Stärke besonders wichtig, da es den Bau kleinerer und gleichzeitig leistungsstärkerer Motoren ermöglicht. Dies trägt direkt zu einer Verringerung des Gesamtgewichts des Fahrzeugs bei, was wiederum die Effizienz steigert und den Energieverbrauch senkt. Dysprosium wird Neodym-Magneten zugesetzt, um ihre Leistung bei hohen Temperaturen zu stabilisieren, was in der anspruchsvollen Umgebung eines Fahrzeugantriebs von entscheidender Bedeutung ist.

Praseodym wird häufig in Kombination mit Neodym verwendet, um die magnetischen und physikalischen Eigenschaften der Magnete weiter zu verbessern. Die Legierung dieser Seltenen Erden ermöglicht es den Motoren, unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Neben Elektromotoren werden Seltene Erden auch in anderen Fahrzeugkomponenten wie Batterien und Displays von Bordcomputern eingesetzt. In den Batterien verbessern sie die Effizienz der Energieübertragung und -speicherung, was wiederum die Reichweite und Leistung des Fahrzeugs erhöht. In Displays tragen sie zur Schärfe und Klarheit der Anzeigen bei, was die Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit steigert. Die Abhängigkeit von diesen Seltenen Erden stellt jedoch auch eine Herausforderung dar. Die Gewinnung und Verarbeitung der Seltenen Erden ist oft mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden, und die begrenzte Verfügbarkeit dieser Ressourcen kann zu Versorgungsengpässen führen. Die Automobilindustrie ist daher bestrebt, Recyclingverfahren zu entwickeln und alternative Materialien zu erforschen, um diese Abhängigkeit zu reduzieren und die Nachhaltigkeit der Fahrzeugproduktion zu erhöhen.

Welche Seltenen Erden sind in Windrädern?

In Windrädern werden vor allem die Seltenen Erden Neodym und Dysprosium verwendet. Diese Elemente sind in den Permanentmagneten der Generatoren enthalten, welche die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln. Der Einsatz dieser Materialien erhöht die Effizienz der Generatoren, indem sie eine stärkere und beständigere magnetische Feldstärke ermöglichen. Dies führt zu einer verbesserten Energieumwandlung und geringeren Energieverlusten. Der Bedarf an solchen Hochleistungsmagneten wächst stetig, da die Welt zunehmend auf erneuerbare Energien setzt. Neodym und Dysprosium sind dafür bekannt, dass sie auch unter extremen Wetterbedingungen zuverlässig funktionieren. Ihre Verwendung trägt dazu bei, dass Windräder eine verlässliche und nachhaltige Energiequelle bleiben. Allerdings führt die Gewinnung dieser seltenen Erden oft zu Umweltbelastungen, was die Wichtigkeit einer verantwortungsvollen Beschaffung unterstreicht.

Welche Seltenen Erden sind im Handy?

Smartphones enthalten verschiedene Seltene Erden, darunter Neodym, Gadolinium, Yttrium und Lanthan. Diese Elemente sind in zahlreichen Komponenten wie Bildschirmen, Lautsprechern, Vibrationsmotoren und Kameras eingebaut. Neodym wird häufig in den kleinen, aber leistungsstarken Magneten verwendet, die für Kopfhörer und Vibrationsmotoren benötigt werden. Yttrium und Gadolinium verbessern die Farbdarstellung und Helligkeit von Bildschirmen. Lanthan kommt in den Linsen von Smartphone-Kameras zum Einsatz, um die Qualität der Bildaufnahme zu steigern. Die Nutzung dieser Elemente ermöglicht eine kompakte Bauweise und leistungsstarke Funktionalität, die für moderne Smartphones entscheidend sind. Jedoch erfordert die Extraktion dieser Metalle hohe Umweltstandards, um nachhaltige Praktiken zu gewährleisten. Ihr breiter Einsatz in der Technologie macht die seltenen Erden zu einem kritischen Faktor in der globalen Lieferkette.

In welchen Geräten sind Seltene Erden?

Seltene Erden sind in einer Vielzahl von modernen Geräten zu finden, darunter Smartphones, Laptops, Elektroautos und Windturbinen. Sie werden aufgrund ihrer einzigartigen magnetischen, optischen und elektronischen Eigenschaften in diesen Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise werden Seltene Erden in den Magneten verwendet, die in Festplattenlaufwerken und in den Motoren von Elektroautos zu finden sind. In Bildschirmtechnologien verbessern diese Elemente die Farbbrillanz und Energieeffizienz. In der Beleuchtungstechnologie tragen sie zur Entwicklung von langlebigen und energieeffizienten LED-Lampen bei. Die breite Anwendung der seltenen Erden macht sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Elektronik und Energietechnik. Ihre Bedeutung wird voraussichtlich weiter steigen, da die Nachfrage nach leistungsstarken und effizienten Technologien wächst. Dies stellt sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung für die nachhaltige Gewinnung und Verarbeitung dieser Materialien dar.

Warum sind die Elemente der Seltenen Erden so wichtig für die Industrie?

Die seltenen Erden sind aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften für viele industrielle Anwendungen unverzichtbar. Sie ermöglichen die Herstellung von Produkten, die leichter, leistungsfähiger und effizienter sind als je zuvor. In der Elektronikindustrie verbessern sie die Leistung von Batterien und Magneten. In der Energietechnik erhöhen sie die Effizienz von Windturbinen und Elektromotoren. Ihre optischen Eigenschaften sind entscheidend für die Herstellung von leistungsstarken Lasern und Glasfasern. Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle in der Katalyse, die für die chemische Industrie von Bedeutung ist. Die Abhängigkeit von seltenen Erden bringt jedoch auch Risiken mit sich, da sie größtenteils aus Ländern stammen, die politisch instabil sein können oder strenge Exportkontrollen haben. Dies unterstreicht die Notwendigkeit für Recycling und die Entwicklung von Alternativen.

Woher bekommt Deutschland Seltene Erden?

Deutschland bezieht den Großteil seiner Seltenen Erden aus China, dem weltweit führenden Produzenten dieser Materialien. Aufgrund der hohen Nachfrage und der kritischen Bedeutung der Seltenen Erden für viele Technologien, ist Deutschland in hohem Maße von den Importen abhängig. Diese Abhängigkeit birgt Risiken, insbesondere im Hinblick auf politische oder wirtschaftliche Spannungen. Es gibt Bemühungen, die Lieferketten zu diversifizieren und alternative Quellen in anderen Ländern wie Australien, den USA und Kanada zu erschließen. Zudem wird in Deutschland und Europa zunehmend in das Recycling von Seltenen Erden investiert, um die Abhängigkeit von Importen zu reduzieren und eine nachhaltigere Nutzung dieser wertvollen Ressourcen zu fördern. Diese Strategien sind entscheidend, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten und die Resilienz der deutschen Industrie zu stärken.

Wer produziert die meisten Seltenen Erden?

China ist mit Abstand der größte Produzent von Seltenen Erden und kontrolliert etwa 70-80% der weltweiten Förderung. Diese Vorherrschaft gibt China erheblichen Einfluss auf die globalen Märkte und Preise für diese kritischen Materialien. Die Dominanz basiert auf umfangreichen Lagerstätten und einer fortgeschrittenen Verarbeitungsindustrie. Neben China gibt es auch in anderen Ländern wie den USA, Australien und Russland bedeutende Vorkommen, die jedoch noch nicht vollständig entwickelt sind. Die internationale Gemeinschaft bemüht sich, die Abhängigkeit von chinesischen Seltenen Erden zu verringern, indem sie die Exploration und Produktion in anderen Regionen fördert. Dies ist ein wichtiger Schritt, um die globale Versorgungssicherheit zu verbessern und politische Risiken zu minimieren. Die strategische Bedeutung der Seltenen Erden macht sie zu einem zentralen Thema in der internationalen Wirtschafts- und Sicherheitspolitik.

Wie steht es um das Recycling von Seltenen Erden?

Das Recycling von Seltenen Erden ist derzeit noch stark unterentwickelt, nur etwa 1% der weltweit verwendeten Seltenen Erden werden tatsächlich recycelt. Dies liegt vor allem daran, dass es bisher kaum etablierte Strategien oder spezifische Programme für das Recycling dieser wertvollen Materialien gibt. Ein weiterer Grund ist, dass viele Produkte, die Seltene Erden in hohen Konzentrationen enthalten – wie Batterien, Magnete in Windkraftanlagen und Elektrofahrzeugen – noch aktiv genutzt werden und noch nicht das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, um für ein Recycling zur Verfügung zu stehen.

Um das Recycling von Seltenen Erden zu fördern und die Abhängigkeit von Importen, vor allem aus Ländern wie China, zu verringern, empfehlen Experten mehrere Maßnahmen:

• Einführung von verbindlichen Rücknahmesystemen und Quoten: Diese sollen sicherstellen, dass ein festgelegter Anteil der verwendeten Seltenen Erden recycelt wird.
• Globale Standardisierung der Produktkennzeichnung: Eine solche Maßnahme würde helfen, die Mengen und Arten der in Produkten verwendeten Seltenen Erden besser nachzuvollziehen und ein effizienteres Recycling zu ermöglichen.
• Investitionen in Rückverfolgbarkeitssysteme und Sammelinfrastruktur: Dazu gehören fortschrittliche Demontagetechnologien und Trennverfahren, die eine effizientere Rückgewinnung von Seltenen Erden aus Altprodukten ermöglichen.
• Öffentlich-private Partnerschaften: Diese Partnerschaften könnten die notwendigen finanziellen Mittel bereitstellen, um das Recycling von Seltenen Erden aus Produkten wie Magneten, Motoren und Elektronik zu unterstützen.
• Ein konkretes Beispiel für Fortschritte beim Recycling ist das EU-Projekt SUSMAGPRO, das einen effizienteren Recyclingprozess für Seltenerdmagnete entwickelt. Ziel des Projekts ist es, bis 2024 jährlich 110 Tonnen Magnetschrott zu recyceln.
• Ein weiteres Projekt: Die BOKU Tulln und die IMC University of Applied Sciences Krems haben ein umweltfreundliches und nachhaltiges zweistufiges Verfahren zur Rückgewinnung seltener Erden aus Elektronikschrott entwickelt, das auf Biolaugung und Bioakkumulation basiert. Bis zu 85% der Metalle können im Labor zurückgewonnen werden. Die Verfahren nutzen Mikroorganismen wie Acidithiobacillus thiooxidans und Escherichia coli, um Metalle in saurer Umgebung zu extrahieren und anzureichern. Ein innovatives Training der Mikroben mit einem Gerät namens Morbidostat ermöglicht es ihnen, sich an hohe Metallkonzentrationen anzupassen. Diese biotechnologischen Methoden bieten gegenüber herkömmlichen chemischen Verfahren ökologische Vorteile und sind besonders vielversprechend für die nachhaltige Rohstoffrückgewinnung.