Begriffsgeschichte

Seltene Erden: Eine Gruppe aus 17 chemischen Elementen

Als Seltene Erden werden die Gruppe der sogenannten Lanthanoide (Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium und das namensgebende Lanthan) sowie die beiden Elemente Scandium und Yttrium bezeichnet.

Als Energiewende wird der Umbau des Energie-Systems von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Quellen bezeichnet.

Erdenals historischer Begriff für Oxide

Der Begriff der Seltenen Erden ist historisch zu sehen, da sie zunächst in seltenen Mineralien wie Cerit oder Gadolinit entdeckt wurden. Zudem beschreibt er keine „Erden“ nach dem heutigen Verständnis, sondern vielmehr eine alte, sowohl im Französischen als auch im Deutschen benutzte Bezeichnung für Oxide, diejenige Form, in der die Elemente erstmals isoliert wurden. Im Fall der Elemente der Seltenen Erden handelt es sich bei ihren Oxiden um Pulver, die meist braun oder schwarz sind, teilweise aber deutlich heller, wie zum Beispiel bei Neodym.

Traditionell erfolgt eine Aufteilung in leichte (Ordnungszahlen 57-63) und schwere Seltenerdelemente (Ordnungszahl 64-71). Scandium (Ordnungszahl 21) wird derweil den leichten, Yttrium (Ordnungszahl 39) den schweren Vertretern der Rohstoffgruppe zugeordnet, da ihre chemischen Eigenschaften vergleichbar sind. Diese Unterteilung wird in der Literatur nicht durchgängig eingehalten, zum Teil ist auch eine dritte Gruppe, die der mittelschweren Seltenerdelemente, zu finden. Grundsätzlich sind die Vertreter der schweren Seltenen Erden deutlich seltener und ihre Aufbereitung aufwendiger als bei den leichten, entsprechend höher sind ihre Marktpreise.

Interessante Fakten

  • Elemente mit gerader Ordnungszahl kommen häufiger vor als jene mit ungerader
  • Gar nicht so selten: Cer kommt häufiger vor als Kupfer
  • Sonderstellung Promethium: Entsteht vorrangig durch Spaltung von Uran

Entdeckung

Turbulente Reise von der Entdeckung der ersten bis zur 17. Seltenen Erde

Die Entdeckung der Seltenerdelemente zog sich – bis auf ein Element – über einen Zeitraum von etwa 120 Jahren hin, von Yttrium im Jahr 1794 bis zu Lutetium 1907. 40 Jahre nachdem Lutetium entdeckt wurde, konnten Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory in den USA mit Promethium die letzte Lücke im Periodensystem schließen.

In der Geschichte dieser Rohstoffgruppe kam es zu vielen Missverständnissen, Elemente wurden von mehr als einer Person parallel entdeckt. Zudem fehlten in der frühen Entdeckungsphase der Seltenerdelemente die notwendigen Technologien, um Minerale in ihre Elemente zu separieren.

Von zentraler Bedeutung ist das schwedische Bergwerk Ytterby in der Nähe Stockholms. Dort machte der schwedische Offizier Carl Axel Arrhenius 1787 ein schwarzes Erz ausfindig, in dem später Yttrium und weitere Seltenerdelemente entdeckt wurden.

Von entscheidender Bedeutung bei der Entdeckung aller Seltenen Erden war eine Trennmethode, die Jöns Jacob Berzelius und der schwedische Chemiker Carl Gustav Mosander entwickelten und damit die Forschungen deutlich voranbrachten.

Eine Schlüsselrolle bei der Entdeckung der Seltenen Erden nimmt zudem die Entdeckung der Spektralanalyse im Jahr 1859 ein.

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften aller Seltenerdmetalle sehr ähnlich

In elementarer Form sind Seltenerdmetalle eisengrau bis silbrig glänzend und relativ weich. Sie sind reaktionsfreudig und oxidieren schnell an der Luft. Einige der Elemente wie Terbium und Ytterbium sind in fein verteiltem Zustand pyrophor, sie können sich also selbst entzünden.

Die stets im Verbund vorkommenden Elemente sind sich in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich. Das macht ihre Trennung und Bereitstellung für maßgeschneiderte Anwendungen aufwendig und komplex. Für einige Einsatzgebiete wie etwa in der Stahlherstellung wird daher zum sogenannten Mischmetall gegriffen, einer kostengünstigen Legierung, die zu 98 Prozent aus Seltenerdmetallen besteht und zudem geringe Mengen Eisen und Magnesium enthält.

Fast alle Vertreter der Elementgruppe sind paramagnetisch, die schweren Vertreter bei tiefen Temperaturen sogar ferromagnetisch.

Anwendungsgebiete

Seltene Erden sind unerlässlich für die Technologien des 21. Jahrhunderts

Seltenerdmetalle sind von hoher Bedeutung für die Industrie und haben zahlreiche Anwendungsgebiete. Die größten Einsatzfelder sind Permanentmagneten (29 Prozent) und Katalysatoren (20 Prozent), gefolgt von Polituren (14 Prozent), Metallurgie/Legierungen (neun Prozent), Batterien (acht Prozent) und Gläsern (acht Prozent). Die einzelnen Seltenen Erden werden hierbei für unterschiedliche Anwendungen genutzt. Da die Trennung der Elemente voneinander jedoch technisch aufwendig und teuer ist, werden, wann immer möglich, gemischte Seltenerdprodukte in nachgelagerten Prozessen verwendet.

Zukunftstechnologien wie Autonomes Fahren, magnetische Kühlsysteme und Drohnen beziehungsweise zivile Luftfahrzeuge für den Güter- und Personenverkehr, die aktuell weiterentwickelt werden, benötigen zum Teil ebenfalls Seltene Erden, etwa für die Herstellung von Lasern oder Permanentmagneten. Die Bedeutung dieser kritischen Rohstoffe könnte daher künftig noch wachsen.

Permanentmagnete

Katalysatoren

Polituren

Legierungen

Gewinnung

Seltene Erden werden aus unterschiedlichen Ausgangsmaterialien gewonnen

Für die Seltenerdgewinnung sind die Minerale Bastnäsit (Karbonat-Gruppe), Monazit (Phosphat-Gruppe) und Xenotim (ebenfalls Phosphat-Gruppe) besonders wichtig. Die Minerale finden sich überwiegend in magmatischen Gesteinen wie Karbonatit, welches durch Intrusion, also das Eindringen des flüssigen Magmas, in bestehende Gesteinsformationen eingelagert wurde. Daneben gibt es Seifen, also Mineralanreicherungen in Sedimenten wie Sand oder Kies. Neben diesen „klassischen“ Abbauquellen gibt es noch Ionenadsorptionstone, bei denen sich Seltenerdelemente auf der Oberfläche der Tonminerale (zum Beispiel Kaolinit) anreichern.
  • Seltenerdoxid ist ein Raffinadeprodukt und eine Vorstufe für die Weiterverarbeitung in komplexere Produkte
  • 2023 lag die weltweite Produktion von Seltenerdoxid bei 350.000 Tonnen
  • Hinzu kamen mehrere tausend Tonnen Seltenerdoxid, das mit Material aus illegalen Minen raffiniert wurde

Hauptlagerstätten für Seltene Erden: Karbonatitintrusionen und Ionenadsorptionstone

Karbonatitintrusionen machen circa 70 Prozent der weltweiten Seltenerdoxid-Produktion aus. Beispiele für diese Art der Lagerstätten sind Bayan Obo in China, die Mountain Pass Mine in den USA und Mt. Weld in Australien. In Bayan Obo wird primär Eisenerz abgebaut, Seltene Erden werden als Nebenprodukt gewonnen. Mit 69.400 Tonnen kamen aus Bayan Obo 2020 circa 32 Prozent der Weltfördermenge. Mountain Pass hatte im selben Zeitraum eine Fördermenge von 39.200 Tonnen und Mt. Weld 24.000. Auch das 2023 entdeckte Seltenerdvorkommen Per Gejer im schwedischen Kiruna befindet sich in einer Mine, in der primär Eisenerz abgebaut wird und künftig Seltene Erden als Nebenprodukt gewonnen werden könnten. Neben den Karbonatitintrusionen sind mit 16 Prozent der globalen Seltenerdoxid-Förderung Ionenadsorptionstone die zweite bedeutende Quelle an Seltenen Erden, besonders für schwere Seltene Erden.

Gewinnungsprozess

Aufwendige Gewinnung, unterschiedliche Prozesse

Der Gewinnungsprozess von Seltenen Erden ist sehr aufwendig und komplex. Er umfasst abhängig vom Ausgangsmaterial eine Vielzahl an physischen und chemischen Trennvorgängen. Sie haben das Ziel, die einzelnen Elemente dieser Rohstoffgruppe nacheinander selektiv voneinander zu separieren, so dass sie für die weitere Aufbereitung bereitstehen. So erfolgen die unterschiedlichen Gewinnungsprozesse im Detail:

Bei der herkömmlichen Gewinnung von Seltenen Erden aus Karbonatiten wird das im Gestein enthaltene Erz zunächst mechanisch herausgebrochen und anschließend zerkleinert. Das gebrochene Erz wird danach erst durch Zugabe von Wasser nass gemahlen und diese Erz-Masse dann durch Magnetscheidung von magnetischen Stoffen wie Schwermetallen getrennt. Durch die anschließende Flotation, bei der die restliche Masse in eine wässrige Lösung gegeben wird und durch unterschiedliche Dichten entweder schwimmt (engl. Float) oder absinkt, erhält man das Zwischenprodukt Seltenerd-Mischkonzentrat. In diesem Konzentrat ist je nach Ausgangsmaterial eine unterschiedliche Konstellation an Seltenerdelementen enthalten.

1. Karbonatitintrusionen:

Ionenadsorptionstone sind selten und werden derzeit vor allem in Südchina und Myanmar gefördert. Dieser Lagertyp kann durch direkte Laugung abgebaut werden, was sich einfacher gestaltet als herkömmlicher Bergbau. Hierbei werden Laugen, meist Ammoniumsulfat, seltener Schwefelsäure, in ein Bohrloch gepumpt und über ein zweites Bohrloch die gelösten Erze abgepumpt. Die Tone kommen zudem weniger oft in Verbindung mit radioaktiven Stoffen vor, wie es zum Beispiel bei Karbonatiten der Fall ist. Das bedeutet, dass Ionenadsorptionstone eine umweltfreundlichere Option darstellen, vorausgesetzt, dass die Laugungsreagenzien erneut aufgefangen und wiederverwertet werden. Dies ist vor allem in illegalen Minen fraglich.

2. Ionenadsorptionstone:

Da die einzelnen Seltenen Erden unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen und somit meistens nur eine individuelle benötigt wird, müssen die einzelnen Elemente voneinander getrennt werden. Dazu wird das Seltenerd-Mischkonzentrat chemisch aufgespalten. Durch Zugabe von Schwefelsäure wird das Konzentrat zunächst geröstet und gelaugt.

3. Seltenerd-Mischkonzentrat:

Nach einer Fällung mittels Amoniumhydrogencarbonat, bei der sich ein Seltenerdgemisch als Niederschlag absetzt, folgt eine erneute Laugung mit Salzsäure, was die eigentliche Trennung der einzelnen Seltenen Erden, die mehrstufige Solventextraktion, vorbereitet. Bei dieser Extraktionsmethode, die auch Flüssig-Flüssig-Extraktion genannt wird, zielt man darauf ab, einen gelösten Stoff aus einem Flüssigkeitsgemisch mithilfe eines Lösungsmittels zu entfernen. Die Solventextraktion hat verschiedene Stufen, da die Seltenen Erden unterschiedlich auf die Lösungsmittel reagieren.

4. Aufbereitung

Vorkommen

Abbau Seltener Erden: Konzentration in Lagerstätten entscheidet über Wirtschaftlichkeit

Die Elemente der Seltenen Erden kommen nicht wie etwa Gold oder Silber gediegen in der Natur vor, vielmehr sind sie Bestandteil von Mineralen aus den Gruppen der Silikate, Oxide, Karbonate oder Phosphate. Aufgrund geringer Konzentration ist die Primärförderung von Seltenen Erden schwer möglich. Es gibt jedoch Arten an Lagerstätten mit einer höheren Konzentration an Seltenen Erden.

Neben diesen Primärabbaustätten gibt es noch Vorkommen von anderen Schwermetallen wie Zink, Eisen, Mangan und Kupfer, bei denen Monazit und Xenotim in Seifen enthalten sind. Da bei diesen Förderstätten jedoch andere Metalle im Fokus stehen, werden Seltene Erden bisher nur selten mitgewonnen. Hierbei sind außerdem häufig radioaktive Stoffe wie Uran oder Thorium enthalten. Diese Produktion geschieht in vielen Ländern rund um die Erde in geringen Mengen (unter 1.500 Tonnen). Beispielsweise in Vietnam, USA, Malaysia, Thailand, Australien, Mosambik, Südafrika und Brasilien. Indien und Madagaskar sind hierbei die größten Förderer von Schwermineralseifen und produzieren rund 3.000 Tonnen Seltenerdoxid jährlich.

Peralkaline Lagerstätten, Magmatite oder Magmen, die einen Überschuss an Alkalien gegenüber Aluminium besitzen, haben Potenzial Seltene Erden zu enthalten, jedoch ist hier eine komplexe Aufbereitung nötig, was die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt. Daher werden diese Lagerstätten derzeit beinahe nicht genutzt.

Die Karte zeigt alle Länder, für die das U.S. Geological Survey (USGS) Zahlen zum Seltenerdvorkommen ausweist oder wo diese Rohstoffgruppe 2023 abgebaut wurde. Die größten Vorkommen Seltener Erden befinden sich in China, Vietnam, Brasilien und Russland.

Brasilien

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Vietnam

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China

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Kritikalität

Bedarf bis 2050 könnte um das 26-Fache ansteigen

Die Deutsche Rohstoffagentur DERA rechnet damit, dass der Bedarf an Seltenerdmetallen bis 2030 jährlich durchschnittlich um sechs Prozent wächst, von 131.000 Tonnen Seltenerdoxid 2020 auf dann 188.300 Tonnen. Getrieben werde der Bedarf vor allem aus dem Bereich der Permanentmagneten, die in Windkraftanlagen, aber auch der Elektromobilität Verwendung finden. Die KU Leuven kommt in einer Studie zu dem Ergebnis, dass zum Erreichen der Klimaziele bis 2050 sieben- bis 26-mal mehr Seltenerdmetalle notwendig wären. Etwas zurückhaltender ist die Internationale Energieagentur (IEA), sie rechnet damit, dass die Nachfrage 2040 drei- bis siebenmal höher sein könnte als heute. Wenig überraschend wird die Elementgruppe daher sowohl von den USA, der Europäischen Union, aber auch dem Vereinigten Königreich als kritischer Rohstoff eingestuft.

Politische Dimension

China hat die Marktmacht über Seltene Erden

Angesichts des Quasi-Monopols Chinas auf diese und viele weitere kritische Rohstoffe rückt das Thema der Versorgungssicherheit verstärkt in den Fokus. Denn die Förderung ist mit einem Marktanteil Chinas von 60 Prozent stark konzentriert, die Weiterverarbeitung mit etwa 90 Prozent sogar noch stärker. Noch eindrücklicher ist die Abhängigkeit der europäischen Autoindustrie von Seltenerd-Permanentmagneten aus China: Sie liegt bei 98 Prozent.

Europa und USA: Abhängigkeit von China soll sinken

In den letzten zwei Jahrzehnten bekamen die Bestrebungen zum Aufbau eigener Wertschöpfungsketten etwa in den USA neuen Auftrieb. Die ehemals wichtigste Seltenerdmine der Welt, Mountain Pass in Kalifornien, die 2002 aufgrund ihrer Unwirtschaftlichkeit angesichts der übermächtigen chinesischen Konkurrenz geschlossen wurde, nahm 2017 ihren Betrieb wieder auf. Bis heute fehlt es in den USA jedoch an Kapazitäten, um die in Mountain Pass geförderten Rohstoffe zu fertigen Produkten weiterzuverarbeiten. Vielmehr werden Vorprodukte wie Oxide nach China verschifft und später zum Beispiel als Permanentmagneten wieder importiert.

Seinen Zugriff auf kritische Mineralien sichert sich China auch im Ausland durch Investitionen in auf diese Rohstoffe spezialisierte Unternehmen. Seit einigen Jahren ist China daher nicht nur der größte Produzent Seltener Erden, sondern auch der größte Importeur. So stammen etwa 50 Prozent der schweren Seltenen Erden, die im Reich der Mitte verarbeitet werden, aus dem Nachbarland Myanmar. Trotz der Bestrebungen Europas, der USA und anderer Länder ist die Marktmacht Chinas auf absehbare Zeit zementiert.

Scandium

Scandium ist wichtig für die Brennstoff­zellentechnologie, das Versorgungsrisiko dieser Seltenen Erde ist groß.

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Yttrium

Yttrium ist neben Scandium eines der beiden Seltenerdelemente, die nicht zu den Lanthanoiden zählen.

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Lanthan

Lanthan gehört zur Gruppe der Lanthanoide und ist gleichzeitig deren Namensgeber.

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Cer

Cer ist das am häufigsten vorkommende Element der leichten Seltenen Erden. Seine Anwendungen sind vielfältig.

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Praseodym

Praseodym teilt viele chemische und physikalische Eigenschaften und Anwendungsgebiete mit Neodym.

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Neodym

Das Seltenerdelement Neodym ist ein wichtiger Baustein für starke Permanentmagnete.

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Promethium

Das natürliche Vorkommen von Promethium wird auf weniger als ein Kilogramm geschätzt.

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Samarium

Samarium gehört zu den leichten Seltenen Erden und wird unter anderem in Hochleistungsmagneten eingesetzt.

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Europium

Europium gehört zu den leichten Seltenen Erden und begegnet uns im Alltag in Leuchtstofflampen und Geldscheinen.

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Gadolinium

Gadolinium hat viele Anwendungsgebiete. Diese reichen von der Kernkraft bis zur Medizin.

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Terbium

Terbium zählt zu den teuersten Seltenerdelementen und steigert die Leistung von Permanentmagneten.

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Dysprosium

Dysprosium spielt eine wichtige Rolle als Magnetmaterial und für den Ausbau Erneuerbarer Energien.

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Holmium

Holmium hat das höchste magnetische Moment aller Seltenen Erden und wird in der Medizintechnik eingesetzt.

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Erbium

Erbium findet beispielsweise Anwendung als Farbstoff und Leistungsverstärker in Glasfaserkabeln.

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Thulium

Thulium gehört zu den Lanthanoiden und ist eines der seltensten Elemente dieser Gruppe.

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Ytterbium

Ytterbium kommt unter anderem in Leuchtstoffen, Katalysatoren und Keramikkondensatoren zum Einsatz.

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Lutetium

Lutetium ist das teuerste Element der Seltenen Erden. Die Anwendungsfelder sind hochspezialisiert.

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