Seltene Erden

Ohne Seltene Erden gäbe es keine winzigen Lautsprecher im Smartphone, keine kräftigen Elektromotoren im E-Auto und keine weißen LEDs. Der Name klingt nach Mangel – tatsächlich sind die meisten dieser Metalle häufiger als Zinn, einige sogar häufiger als Blei. Selten ist etwas anderes: Lagerstätten, in denen sie konzentriert und wirtschaftlich gewinnbar vorkommen, und vor allem die Fähigkeit, sie voneinander zu trennen.

Welche Elemente dazugehören

Zu den Seltenen Erden (genauer: Seltenerdmetallen) zählen 17 Elemente: die 15 Lanthanoide von Lanthan (Ordnungszahl 57) bis Lutetium (71) sowie Scandium und Yttrium, die chemisch sehr ähnlich sind und in denselben Erzen vorkommen. Der Name stammt aus dem 18. Jahrhundert, als man ihre Oxide – damals „Erden“ genannt – in seltenen schwedischen Mineralien entdeckte.

Cer, das häufigste von ihnen, kommt in der Erdkruste etwa so oft vor wie Kupfer. Nur Promethium ist wirklich selten: Es hat keine stabilen Isotope und spielt technisch keine Rolle.

Warum sie so schwer zu trennen sind

Die Lanthanoide unterscheiden sich im Aufbau ihrer Atome vor allem in einer inneren Elektronenschale, der 4f-Schale. Die äußeren Valenzelektronen sind fast gleich, alle bilden bevorzugt dreifach positive Ionen, etwa:

Weil die Chemie von der Außenseite der Atome bestimmt wird, verhalten sich die Elemente nahezu identisch. Sie zu trennen erfordert Hunderte hintereinandergeschalteter Extraktionsstufen, in denen sich die Elemente zwischen einer wässrigen und einer organischen Phase jeweils nur minimal unterschiedlich verteilen. Das ist aufwendig, energie- und chemikalienintensiv und erzeugt große Mengen Abwasser. Dazu kommt, dass die Seltenen Erden in den Erzen nur in geringer Konzentration und meist zusammen mit anderen Rohstoffen auftreten, oft auch mit radioaktivem Thorium oder Uran – die strahlenden Rückstände verteuern die Gewinnung durch Umweltauflagen zusätzlich. Und weil die Industrie für Magnete, Leuchtstoffe und Laser höchste Reinheit verlangt, lohnt sich die Aufbereitung nur in großen, spezialisierten Anlagen.

Als reine Metalle sind die Seltenen Erden übrigens sehr unedel und reaktionsfreudig: Sie laufen an der Luft an und reagieren mit Wasser. Gehandelt und verarbeitet werden sie deshalb meist als Oxide oder Legierungen.

Gerade die teilweise gefüllte innere 4f-Schale macht die Seltenen Erden aber technisch so wertvoll: Ihre ungepaarten 4f-Elektronen erzeugen starke magnetische Momente, und ihre Elektronenübergänge senden Licht mit sehr scharfen, gut definierten Farben aus.

Magnete: Neodym und Samarium

Die wichtigste Anwendung sind Dauermagnete. Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd₂Fe₁₄B) sind die stärksten heute verfügbaren Dauermagnete – sie speichern bei gleicher Größe ein Vielfaches der Energie eines Ferritmagneten. Deshalb stecken sie in Festplatten-Kopfantrieben, Kopfhörern und Mikrolautsprechern, Schrittmotoren, Windkraftgeneratoren und den Antriebsmotoren vieler Elektroautos. Wie Magnetfelder entstehen und wirken, erklärt Magnetismus.

Ihre Schwäche ist die Temperatur: Oberhalb von etwa 80 bis 200 °C – je nach Sorte – verlieren sie dauerhaft an Magnetisierung. Ein Zusatz von Dysprosium oder Terbium erhöht die Temperaturfestigkeit, macht die Magnete aber deutlich teurer. Samarium-Cobalt-Magnete sind etwas schwächer, halten aber bis rund 350 °C durch.

Licht, Laser und Optik

• Weiße LEDs: Eine blaue LED regt einen gelb leuchtenden Leuchtstoff an, meist cerdotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce). Blau und Gelb mischen sich zu Weiß. Mehr dazu in Optoelektronik.
• Leuchtstoffe: Europium liefert das Rot und Blau, Terbium das Grün in Leuchtstofflampen und früher in Bildröhren.
• Laser und Glasfaser: Der Nd:YAG-Laser strahlt bei 1064 nm; erbiumdotierte Faserverstärker verstärken Licht bei 1550 nm direkt in der Glasfaser – das Rückgrat des Internets.

Akkus, Kondensatoren und Chipfertigung

Auch in weniger offensichtlichen Bauteilen stecken Seltene Erden:

• NiMH-Akkus: Die negative Elektrode besteht aus einer wasserstoffspeichernden Legierung, oft auf Basis von Lanthan und Nickel – siehe Akkus im Vergleich.
• Keramikkondensatoren: Kleine Zusätze von Seltenen Erden wie Dysprosium oder Yttrium stabilisieren das Bariumtitanat-Dielektrikum von Vielschicht-Kondensatoren und verlängern ihre Lebensdauer.
• Polieren: Ceroxid ist ein Standard-Poliermittel für Glas und Fotomasken; in der Halbleiterfertigung wird es für das chemisch-mechanische Polieren eingesetzt.

Rohstoffabhängigkeit und Recycling

Abbau und vor allem die Trennung der Seltenen Erden sind stark auf ein Land konzentriert: China fördert den größten Teil und verarbeitet einen noch größeren Anteil. Das macht die Lieferketten anfällig für Exportbeschränkungen. Recycling steckt noch in den Anfängen, weil die Metalle in Elektronikschrott fein verteilt und oft fest verklebt vorliegen – in einem Smartphone sind es nur Milligramm. Lohnender sind große Magnete aus Elektromotoren und Windkraftanlagen, die ein halbes Kilogramm Neodym und mehr enthalten. Hersteller entwickeln Antriebe deshalb zunehmend so, dass sich die Magnete am Lebensende leicht ausbauen lassen. Unter dem Schlagwort Urban Mining versteht man die Idee, Städte, Gebäude und alte Geräte als Rohstofflager der Zukunft zu nutzen.

Parallel sucht man nach Ersatz: Samarium-Cobalt-Magnete kommen ohne Neodym und Dysprosium aus – Samarium ist zwar auch eine Seltene Erde, wird aber aus breiter gestreuten Quellen bezogen. Elektromotoren ganz ohne Dauermagnete, etwa fremderregte Synchron- oder Asynchronmaschinen, verzichten vollständig auf Seltene Erden.

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