Die Zukunft des Smartphones liegt auf dem Meeresgrund

ANALYSEUnfassbar !27
Unter dem Meer
Unter dem Meer(© 2014 CC: Flickr/gabindu)

Yttrium, Praseodymium, Dysprosium und weitere Elemente mit nicht weniger kryptischen Bezeichnungen – das sind die Stoffe, aus denen unsere Zukunft gemacht ist. Die sogenannten seltenen Erden finden sich inzwischen in allem, was einen Chip hat. In Autos, in der Medizin und sogar in Sonnenbrillen. Vor allem aber sind die seltenen Erden essentiell für die Herstellung noch schnellerer und kompakter Smartphones. Doch der Abbau ist alles andere als einfach.

"Egal ob es um Mobiltelefone, Windkraftanlagen oder sonstige erneuerbare Energien geht, ohne seltene Erden läuft es in Zukunft nicht mehr vernünftig", sagt Andrea Koschinsky-Fritsche, Professorin für Geowissenschaften an der Bremer Jacobs University. Doch warum sind seltene Erden überhaupt so wichtig für unsere Gesellschaft?

Damit Magnete als Teil besonders kompakter Lautsprecher oder im Vibrationsalarm des Smartphones verbaut werden können, ist beispielsweise Neodym unverzichtbar. In Windkraftanlagen und den Motoren von Elektroautos kommt der Rohstoff ebenfalls vor, um die magnetische Ladung dauerhaft zu erhalten. Europeum und Terdium sind grundlegend für die Produktion von LED-Displays mit leuchtenden Farben, während Autokatalysatoren mit Cer in der Lage sind, Rußpartikel zu Kohlenstoffdioxid und Wasser zu verbrennen. Gadolinium kommt als Kontrastmittel für Magnetresonanztomographie-Scans zum Einsatz. Die Liste der Anwendungsbeispiele, wofür die sogenannten seltenen Erden benötigt werden, lässt sich problemlos fortsetzen. Ohne seltene Erden wäre der aktuelle Technikstand kaum möglich.

Irreführender Name

Kaum ein Baustoff ist so mysteriös wie die seltenen Erden. Unter dem Begriff können sich nur Wenige etwas vorstellen, anders als bei Rohstoffen wie Gold oder Zink. Seinen Ursprung hat die Bezeichnung, die unter Geowissenschaftlern Metalle der seltenen Erden lautet, aus der Zeit, in der Metalloxide als Erden bezeichnet wurden. Denn wirklich rar sind die Metalle nicht: "Sie sind global betrachtet gar nicht so selten, sondern nur sehr fein verteilt mit zum Teil winzigen Konzentrationen", so Koschinsky-Fritsche. "Der Abbau lohnt sich somit nur an wenigen Orten. Aber es gibt weltweit Lagerstätten, wo man mit Blick auf den stetig steigenden Marktpreis darüber nachdenken könnte, dort die seltenen Erden abzubauen."

30 Millionen Tonnen Manganknollen lagern auf einer 2.000 Quadratmeter großen Fläche(© 2014 CC: Wikimedia/Abramax)

In Deutschland liegt ein solcher Ort im sächsischen Erzgebirge. Dort weist eine vielversprechende Ader eine Seltene-Erden-Konzentration von 0,5 Prozent auf. Doch die Förderung, die aufgrund der Tiefe von 400 Metern kostspielig wäre, würde außerdem enorme Mengen Schutt produzieren, teilweise sogar radioaktiven. Wirtschaftlich ist der großflächige Abbau derzeit nur in bestimmten Gebieten, darunter im Süden Chinas.

Alternative zum chinesischen Monopol

Und genau dort liegt das Problem. Obwohl China nur über ein Drittel der weltweiten Reserven an seltenen Erden verfügt, ist die Volksrepublik aktuell für 97 Prozent der Lieferungen verantwortlich. Ein Monopol, das das kommunistische Land derzeit mit Exportbeschränkungen massiv missbraucht. Offiziell liegt der Grund in gestiegenen Umweltschutzmaßnahmen auf der einen und einem wachsenden IT-Sektor mit steigender Nachfrage auf der anderen Seite. Ganz am Rande steigen durch die Beschränkungen aber auch die Preise, die von den importierenden Industrieländern bereitwillig gezahlt werden.

Um sich von Chinas Bestimmungen unabhängig zu machen, führt an der Suche nach eigenen Quellen kein Weg vorbei. Und dieser scheint mehrere Tausend Meter tief auf den Grund des Pazifiks zu führen.

In einer Tiefe von 5.000 Meter haben Forscher der Universität Tokio Vorkommen seltener Erden entdecken, die eine höhere Konzentration aufweisen als die chinesischen Abbaugebiete. Mit 80 bis 100 Milliarden Tonnen lassen die Vorräte auf dem Meeresboden die bekannten Weltreserven geradezu lächerlich aussehen. Genauer gesagt: Eine Fläche von fünf Quadratkilometern könne den derzeitigen weltweiten Bedarf pro Jahr decken, so die Wissenschaftler. Ungeklärt ist hingegen die Frage der Förderung, denn einfach so baggern oder absaugen lassen sich die in einer Schlammschicht gefangenen Unterwasservorräte nicht. Ein Vorschlag der japanischen Wissenschaftler: Man könne den Schlamm mit mächtigen Maschinen aus der Tiefe an die Oberfläche pumpen, die seltenen Erden mithilfe von Säuren auswaschen und den Schlamm wieder zurück ins Meer befördern.

Doch sowohl das Abgraben als auch die Verarbeitung mit Säure erhöhen das Risiko einer Umweltkatastrophe. Der Bergbau am Meeresboden wirbelt die Sedimente auf, die Unterwasserlebewesen im Absinkprozess unter sich begraben und ersticken können. Durch das Aufwühlen des Sediments geht außerdem die Filterfunktion der dünnen Sandschicht verloren, was ein Ansteigen toxischer Stoffe zur Folge hätte. Das Leben im Abbaugebiet käme quasi zum Erliegen.

Dicke Knollen statt Schlamm

Eine Alternative zu den Schlammschichten bilden neben festen Krusten die sogenannten Manganknollen, die auf den ersten Blick an verkohlte Kartoffeln erinnern. Diese Knollen wachsen über mehrere Millionen Jahre. Dabei lagern sich die Metalle Lage für Lage um einen Kern ab, beispielsweise die Reste einer Muschelschale. Erst vor wenigen Wochen haben Forscher aus Deutschland eine Lagerstätte mit 30 Millionen Tonnen Manganknollen auf einer 2.000 Quadratmeter großen Fläche im Zentralpazifik entdeckt. Eine ähnliche Menge hatten die Wissenschaftler der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe bereits im vergangenen Jahr ausfindig gemacht. Diese Menge würde für 15 Jahre Meeresbergbau ausreichen, das gesamte deutsche Lizenzgebiet ist mit 75.000 Quadratkilometern aber fast 40 Mal so groß. Der Gesamtvorrat an Manganknollen im Ozean liegt bei schätzungsweise 300 Milliarden Tonnen.

Anders als die Schlammmassen können die Knollen aufgesammelt werden. Koschinsky-Fritsche vergleicht den Prozess mit einer Ernte: "Man könnte eine Art Kartoffelsammelmaschine oder hydraulische Kollektoren verwenden, die diese Knollen vom Meeresboden einsammeln, denn sie liegen relativ lose im Sediment.  In der Regel hat man eine relativ ebene Morphologie. Das heißt, es gibt keine steilen Hänge oder ähnliches, sodass der Bergbau auch in 4.000 bis 5.000 Meter Wassertiefe relativ einfach ist. Die Technologien wurden schon in verschiedenen Ländern entwickelt und wären vermutlich weitestgehend in kurzer Zeit einsetzbar."

Weiterer Vorteil: Mit dem Abbau der Manganknollen ließen sich auch andere Metalle an die Oberfläche fördern. "Die hauptwirtschaftlichen Träger der Manganknollen würden nach wie vor Kobalt, Kupfer, Nickel und Zink sein. Wenn man diese Manganknollen in großer Menge abbaut, sind da auch so viele seltene Erden drin, dass es sich in jedem Falle lohnen würde, diese Erden mitzugewinnen", so die Expertin. Zudem befinden sich die Lagerstätten an Orten außerhalb der nationalen Grenzen. Auf schwierige Verhandlungen mit anderen Regierungen oder den Handel mit Ländern, die weder Umwelt- noch Arbeitsschutzmaßnahmen anwenden, könne deshalb verzichtet werden, so  Koschinsky-Fritsche.

Umweltschäden sind nicht gleich Umweltschäden

Aus Umweltschutzsicht hat der Meeresbergbau im Vergleich zum Bergbau an Land einen entscheidenden Vorteil: Mobilität. "Der Vorteil der Technologie ist, dass man keine großen Infrastrukturen am Meeresboden aufbauen und hinterher wieder abbauen müsste. Das sind alles mobile, wiederverwendbare Systeme. Das ist ein großer Vorteil gegenüber dem Landbergbau, der zum Teil den Bau von Straßen durch unberührte Urwaldgebiete oder durch ökologisch sensitive Gebiete bedeutet. An solchen Orten bleiben Bergbaugebiete zurück, die man nicht wieder zurückbaut", so die Professorin.

Auch unter Wasser bliebe der Abbau von seltenen Erden nicht ohne Folgen. Koschinsky-Fritsche beschreibt die Auswirkungen so: "Meeresbergbau hätte einen ähnlichen Effekt auf die Unterwasserflora und -fauna wie der natürliche Prozess, der schwarze Raucher schnell Entstehen, aber auch wieder Erlöschen lässt." Schwarze Raucher sind bis zu 400 Grad heiße Quellen, aus denen Mineralien aus der Erdkruste in das Meer strömen. Die Organismen seien darauf eingestellt, sich schnell an komplett andere Umstände anzupassen. "Man sollte aber trotzdem versuchen, den Meeresbergbau dort zu betreiben, wo diese Quellen bereits erloschen sind. Natürlich wäre es gut, wenn wir den Ozean mit Blick auf Rohstoffe weitestgehend in Ruhe lassen können. Aber wenn der Rohstoffbedarf weiter steigt und es keine Entwicklung in Richtung Einsparung oder Recycling gibt, dann muss man auch abwägen, wo der Schaden letztlich größer ist: an Land – auch dort, wo die Konzentration gering ist und wir riesige Mengen abbauen müssten –, oder in Ländern, wo es weder Umwelt- noch Arbeitsschutzstandards gibt, oder mit geringeren Auswirkungen auf Mensch und Umwelt in der Tiefsee."

Genaue Ortung von Abbaugebieten

Damit Saugroboter und Kettenfahrzeuge Unterwasser den Meeresboden bei der Auf-gut-Glück-Suche nach Vorkommen nicht komplett umwälzen müssen, hat die genaue Lokalisierung hoher Konzentrationen seltener Erden Priorität. Eine mögliche Lösung: Tiefseemuscheln. Entdeckt hat diesen Zusammenhang ein Team um Koschinsky-Fritsche und ihren Kollegen Michael Bau.  Während man Manganknollen offen liegen sieht, sind die zum Teil sehr tiefen Lagerstätten in der Nähe der schwarzen Raucher häufig mit Ablagerungen überdeckt. An der Oberfläche sitzen jedoch Muscheln, die noch immer von den im Untergrund vorhandenen Stoffen profitieren. Durch die Aufnahme dieser Stoffe bauen die Muscheln eine Art Fingerabdruck oder Signatur in ihren Schalen ein. In der Folge müssten Forscher lediglich nach fossilen Muschelschalen mit erhöhtem Europium-Gehalt Ausschau halten, um größere Vorkommen ausfindig zu machen, so die Theorie. Eine großflächige Rodung der Meeresböden ließe sich durch eine vorangegangene Analyse begrenzen.

Der großflächige Abbau der seltenen Erden ist, obwohl mehrere Länder bereits Claims abgesteckt haben, nicht ohne die Einhaltung formaler Richtlinien möglich. Für die Gewinnung benötigen Unternehmen eine Lizenz der internationalen Meeresbodenbehörde ISA in Jamaica. Voraussetzung für eine solche Lizenz, wie sie auch die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) für 75.000 Quadratkilometer Meeresgrund im Pazifik für den Abbau besitzt, ist der Nachweis der Erforschung von Flora und Fauna. Außerdem muss ein Teil des erforschten Gebietes mitsamt den Forschungsergebnissen anderen Ländern zur Verfügung gestellt werden. Ein fairer Gedanke, findet die Bremer Professorin: "Durch die zeitliche Beschränkung der Lizenz und die Bereitstellung der Forschungsergebnisse soll der Abbau auch Dritte-Welt-Ländern ohne eigene Forschungsressourcen ermöglicht werden. Dadurch sollen sich nicht nur die potenten Industrienationen die Rohstoffe aneignen, sondern der Abbau soll nachhaltig und gerecht stattfinden."

Urban Mining als Alternative?

Parallel zur Schürfung der Rohstoffe ist die Industrie auch bemüht, die steigende Nachfrage durch Recycling von Elektromotoren, Windturbinen und Festplatten – die drei Hauptanwendungsbereiche für Neodym und Dysprosium – zu decken. Allerdings übersteigt die Nachfrage auf kurze Sicht bei weitem die Recycling-Möglichkeiten, so die Analyse niederländischer Forscher. Danach sollen künftige Recycling-Bemühungenvor allem auf Recycling-Technologien und Infrastrukturen zielen. Auch Koschinsky-Fritsche sieht fehlende Recycling-Maßnahmen, vor allem aber die kleinen Konzentrationen als Hürde: "Das große Problem, an dem viele Recycling-Versuche scheitern, ist, dass die seltenen Erden häufig in eher kleinen Konzentrationen in verschiedensten Bauteilen eingebaut sind."

Vor allem Smartphones seien von dieser Problematik betroffen, da die winzigen Bauteile nur mit sehr viel Aufwand in die verwendeten Metalle getrennt werden können. Um das Recycling von Smartphones zu erleichtern, müssten die Hersteller umdenken, so Koschinsky-Fritsche. "Vielleicht ist es aber auch ein Gedanke, die Technologien in Zukunft so zu entwickeln, dass die Geräte von vornherein auf Recycling ausgelegt sind." Würden nicht nur Smartphone-Hersteller, sondern auch alle anderen Branchen mehr aus Recycling-Sicht bauen, ließen sich die Städte der Zukunft als riesige Lagerstätten seltener Erden betrachten. Das sogenannte Urban Mining wäre damit keine Illusion mehr.

Doch sind wir wirklich so stark auf die seltenen Erden angewiesen? Ließe sich nicht einfach eine andere Technologie entwickeln, um kompakte Smartphones noch leistungsfähiger zu machen? Eine Technologie, mit der die Ausbeutung der Meere nicht weiter vorangetrieben wird? "Sicherlich wäre das besser", sagt Koschinsky-Fritsche und stellt die Gegenfrage: "Aber sind die Alternativen nachhaltiger? Und wenn sie das nicht sind, sollte man doch wenigstens überlegen, welche Möglichkeit am wirtschaftlichsten ist oder welche die wenigsten oder zumindest kalkulierbarsten Umweltfolgen mit sich bringen." Selbst wenn es Forschern gelänge, einen anderen Baustoff mit ähnlichen Eigenschaften wie die seltenen Erden zu entdecken, wäre auch dieser Rohstoff letzten Endes vom Problem der Endlichkeit betroffen, so die Forscherin.

Solange Smartphones immer kleiner und die technischen Möglichkeiten immer größer werden, müssen auch Bauteile immer kompakter und leistungsfähiger werden. Rohstoffe wie die seltenen Erden verschwinden zwar nicht, aber die Wiedergewinnung wird immer schwieriger. "Wenn wir sie in irgendeiner Form haben, aus der wir sie nicht mehr zurückgewinnen können oder sie diffus über die Welt verteilt sind, dann nützt uns das nichts", sagt Koschinsky-Fritsche. Die Lösung des Dilemmas liegt also nicht in der Entwicklung neuer Schürftechnologien oder Produkten mit  Alternativen zu seltenen Erden, sondern in neuen Strategien, die von Anfang an auch die Verwendung des Produkts nach seiner Verwendung bedenken.


Weitere Artikel zum Thema
Galaxy S7 und S7 Edge: Nougat-Update direkt auf Android 7.1.1
Supergeil !16Nach der Beta könnten das Galaxy S7 und S7 Edge direkt das Update auf Android 7.1.1 Nougat erhalten
Das Galaxy S7 und S7 Edge könnten direkt Android 7.1.1 Nougat erhalten: Dies geht zumindest aus dem Screenshot eines Beta-Testers hervor.
Onli­ne­zwang für "Super Mario Run": Darum soll es keinen Offli­ne­mo­dus geben
Marco Engelien6
Weg damit !22"Super Mario Run" setzt eine aktive Internetverbindung voraus.
"Super Mario Run" unterwegs in der Bahn oder im Flugzeug zocken? Das wird wohl nichts. Das Spiel setzt brauchen eine aktive Internetverbindung voraus.
Samsung arbei­tet an zwei falt­ba­ren Smart­pho­nes – Release schon Anfang 2017?
Michael Keller2
Unfassbar !11So wie in Apples Patent könnte auch das faltbare Gerät von Samsung aussehen
Samsung soll an zwei faltbaren Smartphones arbeiten. Eines der Geräte könnte schon zu Beginn des kommenden Jahres vorgestellt werden.