Markus Prechtl

Kritikalität und Recycling von Seltenerdelementen

Seltenerdelemente, Kritikalität
© Earth Day 2012

Markus Prechtl

Unterrichtliche Zugänge zum Fokus Nachhaltigkeit in der Forschung

Seltenerdelemente (SEE: Sc, Y, LaLu) bilden die stoffliche Grundlage von leistungsstarken Magneten in Windkraftgeneratoren, IT-Technologien, Elektromotoren (E-Fahrzeuge, E-Bikes) sowie von Leuchtstoffen für (großformatige) Bildschirme. Dysprosium, Neodym, Terbium, Yttrium und Europium zählen zu den Rohstoffen, deren Versorgungslage sich langfristig als kritisch erweisen wird. Ein nachhaltiger Umgang mit diesen Stoffen betrifft die gesamte Produktkette, ausgehend von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung und den Verbrauch des Produkts bis hin zur Beseitigung des Abfalls. Folglich werden Optimierungen von Produktions- und Recyclingprozessen erforscht. Der vorliegende Beitrag informiert über das selektive Recycling von SEE sowie die effiziente Verringerung des Anteils an SEE in Werkstoffen und bietet damit eine Vertiefung zum Themenheft „Kritische Metalle [1]. Anhand von Material 1 bis 2 sollen Schülerinnen und Schüler die vorgestellten Verfahren nachvollziehen und die einzelnen Schritte in eine Filmleiste eintragen (Material3 ).
Kritikalität von SEE
Als wesentliche Dimensionen von Kritikalität gelten das Versorgungsrisiko und die wirtschaftliche Bedeutung von Rohstoffen [2, 3]. Abbildung1 zeigt eine klassische Kritikalitätsmatrix für die SEE. Zuletzt galten Dysprosium als höchst-kritisch und Neodym/Terbium als hoch-kritisch.
Der Ausdruck „kritisch bezieht sich folglich nicht auf die Verfügbarkeit der SEE in der Erdkruste, sondern kennzeichnet eine multifaktorielle Problemlage. Sie umfasst die Konzentrierung des Abbaus von SEE auf einige wenige Länder primär China , die wirtschaftliche Stabilität und Handelspolitik von Förderländern, Substitutionspotenziale und Rückgewinnungsquoten. Da diese Faktoren einem steten Wandel unterzogen sind, variieren die modellierten Nachfrageszenarien für SEE. Dies lässt sich beispielsweise anhand von Berichten der Europäischen Union zur Kritikalität von Rohstoffen ablesen (vgl. [3]). Darin wurden im Jahr 2014 ausgewählte Metalle der schweren SEE (Y, GdLu), insbesondere Dysprosium, als besonders kritisch eingestuft, gefolgt von ausgewählten leichten SEE (Sc, LaEu). Im Jahr 2017 war dieses Verhältnis umgedreht: die Kritikalität von Neodym wurde nun höher als die von Dysprosium eingestuft.
Bewerten lernen
Im Themenheft „PSE [4] wurde jüngst eine alternative Abbildung zur Kritikalität von Elementen in Form eines Periodensystems der Elemente abgedruckt (https://www.euchems.eu/euchems-periodic-table/). Als Referenz wurden die weltweit bekannten Vorkommen (Reserven) und damit nur ein Ausschnitt aus dem Kriterienkatalog zur Kritikalität von Stoffen erfasst, zu denen eben auch geopolitische Einflussfaktoren, Substitutionsmöglichkeiten, ökonomische und ökologische Aspekte sowie technische Entwicklungen zählen. Die zum Teil recht unterschiedlichen Kritikalitätsanalysen und die damit verbundenen „Stoffgeschichten [5], bieten Bezugspunkte für das Lernen im naturwissenschaftlichen Kompetenzbereich Bewerten. An ihrem Beispiel kann aufgezeigt werden, dass nur die Interdependenz von quantitativen und qualitativen Daten und Fakten eine angemessene Bewertungsgrundlage für die Kritikalität von Stoffen bietet. Interessant an der speziellen Darstellungsform des PSE nach EuChemS ist, dass sie zeigt, wie viele Elemente in Mobiltelefonen verwendet werden. Davon ausgehend, lässt sich die Problematik der Zerstreuung von Rohstoffen über die Erde (Dissipation) sehr schön schlussfolgern. Leider stellt die Dissipation noch allzu oft das abschließende Kapitel einer Stoffgeschichte dar.
Dysprosium und Neodym Herausforderungen für Forschung und Technik
Nd-Fe-B-Magnete für Windkraftgeneratoren werden durch Dysprosium hitzebeständig. Das Element galt lange Zeit als nicht ersetzbar. Dysprosium zählt zu den SEE, deren prozentualer Gehalt an den Erzen Bastnäsit und Monazit sehr gering...
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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 172 / 2019

Nachhaltigkeit

Zeitschrift "Unterricht Chemie" Premium-Beitrag Praxis Schuljahr 11-13