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Natur

Vom Aussterben der Elemente

Natur & Umwelt | Dienstag, 16. Oktober 2018, Yvonne Kiefer-Glomme

Ein jeder kennt es aus der Schulzeit: das Periodensystem. Es umfasst alle chemischen Elemente, die uns bekannt sind. Wie die Tabelle in einigen Hundert Jahren aussehen wird, steht aber in den Sternen. Denn mittlerweile gleicht sie einer «Liste der gefährdeten Arten».

Bereits seit einigen Jahren schlagen Chemiker und Materialwissenschaftler aus aller Welt Alarm: Von den insgesamt 118 Elementen sind deren 44 nur noch begrenzt verfügbar. «Zu diesen auch auf EU-Ebene als ‹kritisch› klassifizierten Rohstoffen zählen jedoch nicht nur exotische Metalle, sondern auch Zink, Silber, Gold und Kupfer sowie lebensnotwendige Substanzen wie Phosphor», sagt Edwin Constable, Professor für Chemie an der Universität Basel.

Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren Indium, Platin, Tantal oder die Metalle der seltenen Erden in technischen Anwendungen nicht von Belang. Mittlerweile bilden sie jedoch die Basis für viele Zukunftstechnologien, da sie über aussergewöhnliche Eigenschaften verfügen, ohne die viele Geräte in ihrer Form und Funktionalität nicht denkbar wären. Sie stecken unter anderem in Smartphones, Notebooks, LED-Bildschirmen und Digitalkameras. 

Zusammen mit Antimon, Gallium, Palladium, Kobalt, Blei und Selen sind sie zudem insbesondere für die Energiewende unverzichtbar, da sie in Solar- und Brennstoffzellen sowie in Windrädern zum Einsatz kommen. Als Bestandteil von Batterien bringen sie Elektrofahrzeuge zum Rollen und in Autokatalysatoren sorgen sie für die Reinigung von Abgasen. Damit sind sie nicht nur für den Klimaschutz und eine nachhaltige Zukunft essenziell, sondern auch für die Wirtschaft. 

Ein echter «Double Whammy»
Viele der kritischen Elemente finden sich in der Erdkruste nur in geringen Mengen oder Konzentrationen von weniger als 0,01 Gewichtsprozent. Hinzu kommt, dass abbauwürdige Mengen dieser Rohstoffe auf wenige Erdregionen begrenzt sind. «Ein ‹Double Whammy›, also doppeltes Pech, wie wir Engländer es nennen würden», sagt der Mate­rialwissenschaftler Constable. Einige fallen nur als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Metallen an und erfordern komplexe Son­dierungs- und Trennverfahren. Sprich: Ihr Angebot wird nicht durch die unmittelbare Nachfrage gesteuert. Bei der Produktion einer Tonne Zink lassen sich bloss 67 Gramm Indium gewinnen. 

Wie eine Studie unlängst aufzeigte, ist die Verfügbarkeit der kritischen Rohstoffe mittelfristig jedoch nicht das grösste Problem. Weitaus problematischer ist die Tatsache, dass diese nur in wenigen Ländern abgebaut werden. Dadurch ergibt sich eine politisch und wirtschaftlich kritische Abhängigkeit der übrigen Staaten. Insbesondere, wenn geopolitische Verwerfungen den freien und fairen Zugang zu den Rohstoffen verhindern. Ein Beispiel hierfür ist China. Das Land bestimmt beinahe vollständig das Angebot der seltenen Erden, aus denen zum Beispiel Hochleistungs-Permanentmagnete hergestellt werden, die unter anderem in Windturbinen und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Exporteinschränkungen der chinesischen Regierung haben 2012 zu einem Anstieg der Preise von bis zu 4000 Prozent und zu Lieferengpässen geführt. 

Um die Importabhängigkeit zu reduzieren, wird aktuell versucht, Versorgungskapazitäten ausserhalb Chinas aufzubauen, etwa in den USA und Grönland. Wodurch man jedoch in empfindlichere, bisher unangetastete Gebiete vordringt, mit entsprechenden Auswirkungen für die Umwelt. Neben dem Verlust von Lebensräumen sowie Nutzflächen besteht beim Rohstoffabbau stets die Gefahr, dass freigelegte Schadstoffe, Schwermetalle und radioaktive Substanzen Luft, Boden und Trinkwasser verschmutzen.

In Schwellen- und Drittweltländern, etwa in Zentralafrika, kommen soziale Probleme hinzu. Dort bauen Arbeiter, oftmals auch Kinder, für zwei bis vier Franken am Tag Tantal, Zinn und Wolfram in illegalen Minen ab. Und dies meist ohne ausreichenden Arbeitsschutz. Häufig zahlen die Minenbetreiber kaum Steuern und die Verkaufserlöse stützen korrupte Regierungen. 

Smartphones plündern ist günstiger
«Bei den Angaben zum Vorkommen kritischer Elemente handelt es sich um Schätzungen, die sich auf die derzeit bekannten Reserven beziehen», erklärt Constable. Sobald ein Rohstoff nicht mehr verfügbar sei, werde man neue Quellen finden, die dann für die nächsten zehn bis fünfzehn Jahre reichten. «Diese werden aber weniger gehaltvoll sein», warnt der Chemiker. Anders gesagt: Die Nutzung wird teurer. Dadurch dürfte es zukünftig effektiver sein, die in einer Tonne Smartphones enthaltene Goldmenge von 280 Gramm zu rezyklieren, als nach neuen Vorkommen zu suchen. Zum Vergleich: In einer Tonne Minengestein finden sich durchschnittlich fünf Gramm Gold. Hinzu kommt, dass die Umweltbelastungen durch die Rückgewinnung kritischer Rohstoffe meist deutlich geringer sind. 

Mittlerweile sind die seltenen Metalle auch Teil der schweizerischen Verordnung über die Rückgabe, Rücknahme und Entsorgung elektrischer und elektronischer Geräte. Und diese wurde auch auf Geräte in Bauten, Fahrzeugen und Photovoltaikanlagen erweitert. Dennoch werden nach Angaben der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) bisher weniger als ein Prozent der seltenen Metalle aus ausgedienten Produkten zurückgewonnen. Denn noch ist dieses «Urban mining», wie es im Fachjargon heisst, mit grossem Aufwand verbunden. 

Schweizer Firmen sind abhängig
Durch die spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften der kritischen Elemente ist es nur beschränkt möglich, diese durch andere Stoffe zu ersetzen, ohne dass es zu Leistungs- und Qualitätseinbussen kommt. Zudem müssen die Kosten und der Energieaufwand berücksichtigt werden. Häufig zählen mögliche Ersatzmaterialien selbst zu den kritischen Rohstoffen. 

«Da Recycling nicht zu 100 Prozent effizient sein kann und der Bedarf an kritischen Elementen weiterwachsen wird, ist es entscheidend, Produkte so zu gestalten, dass seltene Elemente – soweit sie nicht ersetzbar sind – möglichst sparsam verwendet werden», resümiert Constable. Zudem sollten die entsprechenden Komponenten möglichst leicht ausbaubar sein. Dies erhöht die Reparaturfreundlichkeit und zahlt sich somit auch für den Kunden aus. 

2015 importierte die Schweiz Metalle im Wert von fast 13 Milliarden Franken. Viele Betriebe sind sich nicht im Klaren darüber, von welchen kritischen Rohstoffen sie abhängig sind, da sie häufig Halbfabrikate zukaufen. Hier setzt ein neues Online-Tool der Empa an, mit dem sich allfällige Versorgungsrisiken sowie ökologische und soziale Auswirkungen der Verwendung seltener Metalle abschätzen lassen.

Einige Unternehmen kooperieren bereits mit Forschungsinstitutionen, um Ersatzrohstoffe und alternative Technologien zu entwickeln, die Materialeffizienz zu erhöhen und Stoffkreisläufe zu schliessen. Die erste europaweite Datenbank für Sekundärrohstoffe soll helfen, innovative Rückgewinnungsstrategien zu entwickeln. «Als rohstoffarmes Land sollte sich die Schweiz für eine nachhaltige Ressourcennutzung einsetzen, denn nur so kann sie ihre Wettbewerbsfähigkeit erhalten und ihre Klimaziele erreichen», empfiehlt Constable.

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