Recycling selten

Hier sind Elektronikteile von alten Computern. Das Recycling der Seltenerdmetalle in diesen Teilen könnte dazu beitragen, die Nachfrage nach diesen wertvollen Materialien zu decken.

Adam Smigielski/iStock/Getty Images Plus

Von Erin Wayman

4. Mai 2023 um 6:30 Uhr

Unser modernes Leben hängt von Metallen ab, die als Seltene Erden bekannt sind. Leider sind diese Elemente so weit verbreitet und beliebt, dass wir eines Tages möglicherweise nicht mehr genug davon haben, um den Bedarf der Gesellschaft zu decken.

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sind diese 17 Metalle für leistungsstarke Computerbildschirme, Mobiltelefone und andere elektronische Geräte von entscheidender Bedeutung. Kompaktleuchtstofflampen nutzen sie. Das gilt auch für medizinische Bildgebungsgeräte, Laser, Hochleistungsmagnete, Glasfasern und Pigmente. Sie sind sogar in wiederaufladbaren Batterien von Elektroautos enthalten. Diese Elemente sind auch ein Tor zu einer klimafreundlichen kohlenstoffarmen oder kohlenstofffreien Zukunft.

Im Jahr 2021 wurden weltweit 280.000 Tonnen Seltene Erden gefördert. Das ist etwa 32-mal so viel wie Mitte der 1950er Jahre. Experten schätzen, dass wir bis 2040 bis zu siebenmal so viel benötigen werden, wie wir heute verbrauchen.

Für die meisten Aufgaben, die Seltene Erden übernehmen, gibt es keinen guten Ersatz. Daher wird es nicht einfach sein, unseren Appetit auf diese Metalle zu stillen. Sie kommen nicht in reichen Lagerstätten vor. Daher müssen Bergleute große Mengen Erz abbauen, um sie zu gewinnen. Dann müssen Unternehmen eine Mischung aus physikalischen und chemischen Verfahren nutzen, um die Metalle zu konzentrieren und abzutrennen.

Diese Prozesse verbrauchen viel Energie. Außerdem sind sie schmutzig und verwenden giftige Chemikalien. Eine weitere Sorge: China ist fast der einzige Ort, an dem diese Metalle abgebaut und verarbeitet werden. Derzeit gibt es beispielsweise in den gesamten Vereinigten Staaten nur eine aktive Mine für seltene Erden.

All dies erklärt, warum Forscher diese Metalle recyceln möchten. Recycling werde „eine sehr wichtige und zentrale Rolle spielen“, sagt Ikenna Nlebedim. Er ist Materialwissenschaftler am Critical Materials Institute des Energieministeriums. (Es wird vom Ames National Laboratory in Iowa betrieben.)

Innerhalb von zehn Jahren könnte das Recycling laut Nlebedim bis zu einem Viertel des Bedarfs an Seltenen Erden decken. Wenn das stimmt, sagt er, wäre das „riesig“.

In den Vereinigten Staaten und Europa ist es Standard, 15 bis 70 Prozent der häufig genutzten Metalle wie Stahl zu recyceln. Dennoch werde heute nur etwa 1 Prozent der Seltenen Erden in alten Produkten recycelt, stellt Simon Jowitt fest. Als Geologe arbeitet er an der University of Nevada in Las Vegas.

„Kupferkabel können zu mehr Kupferkabeln recycelt werden. Stahl kann einfach zu mehr Stahl recycelt werden“, sagt er. Doch viele Seltenerdprodukte seien „nicht sehr recycelbar“.

Warum? Oft wurden sie mit anderen Metallen vermischt. Es kann sehr schwierig sein, sie wieder zu trennen. In mancher Hinsicht ist das Recycling seltener Erden aus weggeworfenen Gegenständen ungefähr so ​​schwierig wie die Gewinnung und Verarbeitung dieser Seltenen Erden aus Erzen.

Beim Recycling seltener Erden werden in der Regel gefährliche Chemikalien wie Salzsäure verwendet. Außerdem verbraucht es viel Wärme – und damit viel Energie. Und dieser Aufwand könnte nur eine winzige Menge Metall zurückgewinnen. Die Festplatte eines Computers könnte beispielsweise nur wenige Gramm (weniger als eine Unze) Seltenerdmetalle enthalten. Manche Produkte haben möglicherweise nur ein Tausendstel davon.

Wissenschaftler versuchen jedoch, bessere Recyclingansätze zu entwickeln, um den Bedarf für den Abbau weiterer dieser Metalle zu verringern.

Ein Ansatz rekrutiert Mikroben. Gluconobacter-Bakterien produzieren auf natürliche Weise organische Säuren. Diese Säuren können seltene Erden – wie Lanthan und Cer – aus gebrauchten Katalysatoren oder aus den leuchtenden Leuchtstoffen ziehen, die Leuchtstofflampen zum Leuchten bringen. Die Bakteriensäuren seien weniger schädlich für die Umwelt als andere metallauslaugende Säuren, sagt Yoshiko Fujita. Sie ist Biogeochemikerin am Idaho National Laboratory in Idaho Falls.

In Experimenten gewinnen diese Bakteriensäuren nur etwa ein Viertel bis die Hälfte der Seltenen Erden aus Katalysatoren und Leuchtstoffen zurück. Das ist nicht so gut wie Salzsäure, die in manchen Fällen bis zu 99 Prozent extrahieren kann. Doch der biobasierte Ansatz könnte sich dennoch lohnen, berichten Fujita und ihr Team.

Auch andere Bakterien können bei der Gewinnung seltener Erden helfen. Vor einigen Jahren entdeckten Forscher, dass einige Mikroben ein Protein produzieren, das sich an seltene Erden klammern kann. Dieses Protein kann seltene Erden voneinander trennen – etwa Neodym vom Dysprosium, das in vielen Magneten verwendet wird. Ein solches System könnte den Bedarf an vielen giftigen Lösungsmitteln vermeiden. Und der bei diesem Prozess verbleibende Abfall wird biologisch abgebaut.

Eine weitere neue Technik nutzt Kupfersalze – keine Säuren –, um seltene Erden aus weggeworfenen Magneten zu extrahieren. Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NIB) sind der größte Einzelverbraucher seltener Erden. Seltene Erden machen gewichtsmäßig fast ein Drittel dieser Magnete aus. Innerhalb von sieben Jahren könnte das Recycling des Neodyms aus NIB-Magneten in US-Festplattenlaufwerken etwa 5 Prozent des weltweiten Bedarfs an diesem Metall (außerhalb Chinas) decken.

Nlebedim leitete ein Team, das eine Technik entwickelte, die Kupfersalze verwendet, um seltene Erden aus Magneten in zerkleinerten Elektronikgeräten herauszulösen. Das Verfahren wurde auch bei Resten aus der Magnetherstellung angewendet. Dort könnten 90 bis 98 Prozent der Seltenen Erden zurückgewonnen werden. Die gewonnenen Metalle sind rein genug, um neue Magnete herzustellen, wie Nlebedims Team gezeigt hat. Ihr Verfahren könnte auch klimafreundlicher sein. Verglichen mit einer der Hauptmethoden für den Abbau und die Verarbeitung seltener Erden in China hat die Kupfer-Salz-Methode weniger als die Hälfte ihres CO2-Fußabdrucks.

Ein Unternehmen aus Iowa namens TdVib hat gerade eine Pilotanlage zur Nutzung dieses Kupfersalzverfahrens gebaut. Ziel ist es, zwei Tonnen Seltenerdoxide pro Monat zu produzieren. Es wird seltene Erden aus alten Festplattenlaufwerken aus Rechenzentren recyceln.

Noveon Magnetics ist ein Unternehmen in San Marcos, Texas. Es werden bereits recycelte NIB-Magnete hergestellt. Nach der Entmagnetisierung und Reinigung ausrangierter Magnete wird das Metall zu Pulver gemahlen. Aus diesem Pulver werden neue Magnete hergestellt. Dabei ist es nicht erforderlich, die Seltenen Erden zunächst zu extrahieren und abzutrennen. Das Endprodukt kann zu über 99 Prozent aus recycelten Magneten bestehen.

Im Vergleich zur herkömmlichen Herstellung von NIB-Magneten senkt diese Methode den Energieverbrauch um etwa 90 Prozent, berichteten Forscher in einer Arbeit aus dem Jahr 2016. Noveon schätzt außerdem, dass dadurch nur etwa halb so viel Kohlendioxid, ein Treibhausgas, freigesetzt wird.

Viele Gemeinden haben Programme zum Sammeln von Metall, Papier oder Glas zum Recycling. Für das Sammeln von Müllprodukten, die seltene Erden enthalten, gibt es nichts Vergleichbares, sagt Fujita vom Idaho National Laboratory. Bevor mit dem Recycling seltener Erden begonnen werden kann, müssen Sie an die Teile gelangen, die die wertvollen Metalle enthalten.

Apple hat Anstrengungen unternommen, einen Teil seiner Elektronikgeräte zu recyceln. Sein Daisy-Roboter kann iPhones zerlegen. Und letztes Jahr kündigte Apple zwei Roboter an – Taz und Dave – die beim Recycling seltener Erden helfen. Taz kann magnethaltige Module sammeln, die typischerweise bei der Schredderung von Elektronik verloren gehen. Dave kann Magnete aus einem anderen Teil des iPhones bergen.

Dennoch wäre es viel einfacher, wenn Unternehmen ihre Produkte einfach so entwerfen würden, dass das Recycling einfach ist, sagt Fujita.

Aber ganz gleich, wie gut das Recycling auch sein mag, Jowitt sieht keinen Weg daran vorbei, die Bergbauanstrengungen zu verstärken. Der Hunger der Gesellschaft nach Seltenen Erden ist einfach zu groß – und er wächst. Er stimmt jedoch zu, dass Recycling notwendig ist. „Wir versuchen besser, so viel wie möglich zu extrahieren“, sagt er, „anstatt es einfach auf die Mülldeponie zu werfen.“

Bakterien: (adj.bakteriell ) Einzeller. Diese leben fast überall auf der Erde, vom Meeresboden bis in das Innere anderer lebender Organismen (wie Pflanzen und Tiere). Bakterien sind einer der drei Lebensbereiche auf der Erde.

biologisch abbaubar : Adjektiv für etwas, das aufgrund der Aktivität von Mikroben in einfachere Materialien zerfallen kann. Dies geschieht normalerweise in Gegenwart von Wasser, Sonnenlicht oder anderen Bedingungen, die zur Ernährung dieser Organismen beitragen.

Biogeochemiker : Jemand, der Prozesse untersucht, die reine Elemente oder chemische Verbindungen (einschließlich Mineralien) zwischen lebenden Arten und nichtlebenden Aspekten (wie Gestein, Boden oder Wasser) eines Ökosystems zirkulieren (oder schließlich ablagern). Dieses Studienfach ist als Biogeochemie bekannt.

Kohlendioxid : (oder CO2) Ein farbloses, geruchloses Gas, das von allen Tieren produziert wird, wenn der Sauerstoff, den sie einatmen, mit den kohlenstoffreichen Nahrungsmitteln reagiert, die sie gegessen haben. Kohlendioxid wird auch freigesetzt, wenn organisches Material verbrennt (einschließlich fossiler Brennstoffe wie Öl oder Gas). Kohlendioxid wirkt als Treibhausgas und speichert Wärme in der Erdatmosphäre. Pflanzen wandeln bei der Photosynthese, dem Prozess, den sie zur Herstellung ihrer eigenen Nahrung nutzen, Kohlendioxid in Sauerstoff um.

CO2-Fußabdruck : Ein beliebter Begriff zur Messung des Treibhauspotenzials verschiedener Produkte oder Prozesse. Unter ihrem CO2-Fußabdruck versteht man die Menge eines Treibhausgases – normalerweise Kohlendioxid –, die etwas pro Zeiteinheit oder pro Produktmenge freisetzt.

Katalysator : (v. katalysieren) Eine Substanz, die dazu beiträgt, dass eine chemische Reaktion schneller abläuft. Beispiele hierfür sind Enzyme und Elemente wie Platin und Iridium.

Klima: Die Wetterbedingungen, die typischerweise in einem Gebiet allgemein oder über einen längeren Zeitraum herrschen.

Kollege : Jemand, der mit einem anderen zusammenarbeitet; ein Kollege oder ein Teammitglied.

Rechenzentrum : Eine Einrichtung, die Computerhardware wie Server, Router, Switches und Firewalls beherbergt. Außerdem wird es Geräte zur Unterstützung dieser Hardware beherbergen, darunter Klimaanlagen und Notstromversorgungen. Die Größe eines solchen Zentrums reicht von einem Teil eines Raums bis hin zu einem oder mehreren speziellen Gebäuden. Diese Zentren können alles beherbergen, was nötig ist, um eine „Cloud“ zu schaffen, die Cloud Computing ermöglicht.

entwickeln: Entstehen oder entstehen lassen, entweder auf natürliche Weise oder durch menschliches Eingreifen, beispielsweise durch Herstellung.

Elektronik: Geräte, die mit Elektrizität betrieben werden, deren Eigenschaften jedoch durch Halbleiter oder andere Schaltkreise gesteuert werden, die die Bewegung elektrischer Ladungen kanalisieren oder steuern.

Element : Ein Baustein einer größeren Struktur. (in der Chemie) Jede von mehr als hundert Substanzen, deren kleinste Einheit jeweils ein einzelnes Atom ist. Beispiele hierfür sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Lithium und Uran.

ausgraben : (n. Ausgrabung) Etwas aus Erde oder Stein ausgraben (z. B. Dinosaurierknochen); den inneren Teil von etwas entfernen, um darin ein Loch (Hohlraum) zu erzeugen.

Extrakt : (v.) Um eine Chemikalie (oder eine Komponente von etwas) aus einer komplexen Mischung zu trennen. (Substantiv) Eine Substanz, oft in konzentrierter Form, die aus einem Ausgangsmaterial entfernt wurde. Extrakte werden häufig aus Pflanzen (wie grüne Minze oder Lavendel), Blüten und Knospen (wie Rosen und Nelken), Früchten (wie Zitronen und Orangen) oder Samen und Nüssen (wie Mandeln und Pistazien) gewonnen. Solche Extrakte, die manchmal zum Kochen verwendet werden, haben oft einen sehr starken Geruch oder Geschmack.

Glasfaseroptik: Die Verwendung dünner, flexibler Fasern aus Glas (bekannt als optische Fasern) oder anderen transparenten Feststoffen zur Übertragung von Lichtsignalen, hauptsächlich für die Telekommunikation.

fluoreszierend : (v. fluoreszieren) Adjektiv für etwas, das Licht absorbieren und wieder abgeben kann. Dieses wieder emittierte Licht wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Treibhausgas : Ein Gas, das durch die Aufnahme von Wärme zum Treibhauseffekt beiträgt. Kohlendioxid ist ein Beispiel für ein Treibhausgas.

auslaugen: (in der Geologie und Chemie) Der Prozess, durch den Wasser (häufig in Form von Regen) lösliche Mineralien oder andere Chemikalien aus einem Feststoff wie Gestein oder aus Sand, Erde, Knochen, Müll oder Asche entfernt.

Magnet: Ein Material, das normalerweise Eisen enthält und dessen Atome so angeordnet sind, dass sie bestimmte Metalle anziehen.

Materialwissenschaftler : Ein Forscher, der untersucht, wie die atomare und molekulare Struktur eines Materials mit seinen Gesamteigenschaften zusammenhängt. Materialwissenschaftler können neue Materialien entwerfen oder bestehende analysieren. Ihre Analysen der Gesamteigenschaften eines Materials (wie Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt) können Ingenieuren und anderen Forschern dabei helfen, Materialien auszuwählen, die für eine neue Anwendung am besten geeignet sind.

Metall: Etwas, das Elektrizität gut leitet, dazu neigt, zu glänzen (reflektierend) und formbar zu sein (d. h. es kann mit Hitze und nicht zu viel Kraft oder Druck umgeformt werden).

Mikrobe : Abkürzung für Mikroorganismus. Ein Lebewesen, das zu klein ist, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, darunter Bakterien, einige Pilze und viele andere Organismen wie Amöben. Die meisten bestehen aus einer einzigen Zelle.

mikroskopisch : Ein Adjektiv für Dinge, die zu klein sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Um so kleine Objekte wie Bakterien oder andere einzellige Organismen zu betrachten, braucht man ein Mikroskop.

Modul : Eine Reihe standardisierter Teile oder unabhängiger Einheiten, die zum Zusammenbau einer komplexeren Struktur verwendet werden. Das Modul könnte verwendet werden, um ein „vorgefertigtes“ Haus oder Möbelstück – oder sogar ein Raumschiff – zu bauen.

Neodym : Ein chemisches Element, das in reiner Form als weiches, silbriges Metall erscheint. Es kommt in einigen Mineralien vor und kann zur Rückverfolgung der Herkunft von Mineralkörnern verwendet werden, die über weite Strecken durch Wasser oder Wind transportiert werden. Sein wissenschaftliches Symbol ist Nd.

Optik: Hat etwas mit Vision oder dem zu tun, was gesehen werden kann.

Erz: Ein natürlich entstandenes Gestein oder Mineral, das ein Metall enthält, das für eine neue Verwendung gewonnen werden kann.

organisch : (in der Chemie) Ein Adjektiv, das darauf hinweist, dass etwas kohlenstoffhaltig ist; auch ein Begriff, der sich auf die Grundchemikalien bezieht, aus denen lebende Organismen bestehen. (in der Landwirtschaft) Agrarprodukte, die ohne den Einsatz nicht natürlicher und potenziell giftiger Chemikalien wie Pestizide angebaut werden.

Oxid : Eine Verbindung, die durch die Kombination eines oder mehrerer Elemente mit Sauerstoff entsteht. Rost ist ein Oxid; das gilt auch für Wasser.

Phosphor : Eine synthetische Chemikalie, die leuchtet, wenn sie durch Elektronen angeregt wird. Typischerweise wird es (häufig in Kombination mit anderen) zur Beschichtung von LEDs, Leuchtstofflampen oder Kathodenstrahlröhren verwendet, um eine gewünschte Lichtfarbe zu erzeugen.

körperlich : (Adj.) Ein Begriff für Dinge, die in der realen Welt existieren, im Gegensatz zu Erinnerungen oder der Vorstellung. Es kann sich auch auf Eigenschaften von Materialien beziehen, die auf ihre Größe und nichtchemische Wechselwirkungen zurückzuführen sind (z. B. wenn ein Block mit Gewalt auf einen anderen prallt).

Pigment : Ein Material, ähnlich den natürlichen Farbstoffen der Haut, das das von einem Objekt reflektierte oder durch es hindurchgelassene Licht verändert. Die Gesamtfarbe eines Pigments hängt typischerweise davon ab, welche Wellenlängen des sichtbaren Lichts es absorbiert und welche es reflektiert. Beispielsweise neigt ein rotes Pigment dazu, rote Lichtwellenlängen sehr gut zu reflektieren und absorbiert typischerweise andere Farben. Pigment ist auch die Bezeichnung für Chemikalien, die Hersteller zum Abtönen von Farben verwenden.

Eiweiß : Eine Verbindung aus einer oder mehreren langen Aminosäureketten. Proteine ​​sind ein wesentlicher Bestandteil aller lebenden Organismen. Sie bilden die Grundlage lebender Zellen, Muskeln und Gewebe; Sie erledigen auch die Arbeit innerhalb von Zellen. Antikörper, Hämoglobin und Enzyme sind Beispiele für Proteine. Medikamente wirken häufig, indem sie sich an Proteine ​​binden.

radioaktiv : Ein Adjektiv, das instabile Elemente beschreibt, wie zum Beispiel bestimmte Formen (Isotope) von Uran und Plutonium. Solche Elemente gelten als instabil, weil ihr Kern Energie abgibt, die von Photonen und/oder oft einem oder mehreren subatomaren Teilchen abtransportiert wird. Diese Energieemission erfolgt durch einen Prozess, der als radioaktiver Zerfall bekannt ist.

seltene Erden: (in der Geowissenschaft) Hierbei handelt es sich um eine Gruppe von Metallelementen, die dazu neigen, weich, biegsam und chemisch reaktiv zu sein.

recyceln: Neue Verwendungsmöglichkeiten für etwas – oder Teile davon – finden, die andernfalls weggeworfen oder als Abfall behandelt würden.

Salz : Eine Verbindung, die durch die Kombination einer Säure mit einer Base entsteht (in einer Reaktion, bei der auch Wasser entsteht). Der Ozean enthält viele verschiedene Salze – zusammenfassend „Meersalz“ genannt. Gewöhnliches Speisesalz besteht aus Natrium und Chlor.

Lösungsmittel: Ein Material (normalerweise eine Flüssigkeit), das verwendet wird, um ein anderes Material in einer Lösung aufzulösen.

System : Ein Netzwerk aus Teilen, die zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Beispielsweise sind Blut, Gefäße und Herz die Hauptbestandteile des Kreislaufsystems des menschlichen Körpers. Ebenso gehören Züge, Bahnsteige, Gleise, Fahrbahnsignale und Überführungen zu den potenziellen Komponenten des Eisenbahnsystems eines Landes. Das System kann sogar auf Prozesse oder Ideen angewendet werden, die Teil einer Methode oder eines geordneten Satzes von Verfahren zur Erledigung einer Aufgabe sind.

giftig : Giftig oder in der Lage, Zellen, Gewebe oder ganze Organismen zu schädigen oder abzutöten. Der Maßstab für das von einem solchen Gift ausgehende Risiko ist seine Toxizität.

Tagebuch:​ Y. Fujita, SK McCall und D. Ginosar. Recycling seltener Erden: Perspektiven und jüngste Fortschritte. MRS-Bulletin. Bd. 47, März 2022, S. 283. doi: 10.1557/s43577-022-00301-w.

Tagebuch:​ SM Jowitt. Mineralökonomie der Seltenerdelemente. MRS-Bulletin. Bd. 47, März 2022, S. 276. doi: 10.1557/s43577-022-00289-3.

Tagebuch:​ NA Chowdhury et al. Nachhaltiges Recycling von Seltenerdelementen aus NdFeB-Magnetspänen: Technoökonomische und ökologische Perspektiven. ACS Nachhaltige Chemie und Technik. Online veröffentlicht am 17. November 2021. doi.org: 10.1021/acssuschemeng.1c05965.

Tagebuch:​ H. Jin et al. Biolaugung von Seltenerdelementen aus Industrieabfällen unter Verwendung landwirtschaftlicher Abfälle. ACS Nachhaltige Chemie und Technik. Online veröffentlicht am 20. August 2019. doi: 10.1021/acssuschemeng.9b02584.

Tagebuch:​ H. Jin et al. Vergleichende Ökobilanz von NdFeB-Magneten: Neuproduktion versus Magnet-zu-Magnet-Recycling. Procedia CIRP. Online veröffentlicht am 27. Juli 2016. doi: 10.1016/j.procir.2016.03.013.

Tagebuch:​ M. Zakotnik et al. Analyse des Energieverbrauchs beim Nd-Fe-B-Magnet-zu-Magnet-Recycling. Umwelttechnologie und Innovation. Bd. 5, April 2016, S. 117. doi: 10.1016/j.eti.2016.01.002.

Erin Wayman ist Chefredakteurin des Magazins Science News. Sie hat einen Master-Abschluss in biologischer Anthropologie von der University of California, Davis und einen Master-Abschluss in wissenschaftlichem Schreiben von der Johns Hopkins University.

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