Der Stoff der Zukunft

Schneller als die Erdgeschichte

15. November 2021 Recycling von Hochtechnologie-Metallen

Um nachhaltig den Weg in die Zukunft zu ebnen, führt der Schritt teilweise zurück in die Vergangenheit. Das gilt auch für das Recycling wertvoller Hochtechnologiemetalle wie das für mobile Endgeräte wichtige Tantal, das – wie auch andere in der Photovoltaik oder im Leichtbau genutzte Materialien und Elemente – bisher nur ansatzweise zurückgewonnen werden kann.

Präsentation von Teilen des Recyclingprozesses von Indium aus alten LCD-Monitoren und Smartphones

„Während die Recyclingquote für Massenmetalle wie Kupfer, Aluminium und Eisen sehr hoch sind, gehen diese besonders wertvollen und kritischen Metalle im Recyclingprozess oftmals verloren“, bestätigt Urs Peuker von der TU Bergakademie Freiberg. Ein Grund dafür ist das Rückgewinnungsverfahren selbst, denn die Elektrogeräte werden in einem metallurgischen Prozess geschmolzen. So werden die Massenmetalle gewonnen, die weiteren Elemente gelangen in die Schlacke. Und alles, was nur in geringer Konzentration in der entstandenen Schlacke vorliegt, ist bisher wirtschaftlich nicht relevant für eine weitere Betrachtung.

Um hier neue Lösungen zu finden, haben sich die klassischen Rohstoffuniversitäten in Freiberg, Aachen und Clausthal im 2020 bewilligten Schwerpunktprogramm „Maßgeschneiderte künstliche Minerale (EnAM)“ zusammengetan. Peuker ist dessen Sprecher. Gemeinsam wollen die Forscherinnen und Forscher von der Erdgeschichte lernen. „Unser Gedanke zielt dabei auf die natürlichen Rohstofflagerstätten, die wir abbauen“, sagt Peuker. Schließlich seien auch diese eine Art Schlacke gewesen, als sie aus dem Erdkern kamen. „Vielleicht können wir ja das, was die Erde in Hundertausenden oder Millionen von Jahren mit sogenannten Gewürzmetallen wie Tellur, Indium oder Gallium gemacht hat, als Ingenieure etwas schneller hinbekomme."

Der Begriff für das, was in den Lagerstätten der Erde passiert ist, heißt „Kristallisation“: ein Prozess, bei dem durch chemische Reaktionsvorgänge mit weiteren additiven Kristallbildnern wie Schwefel oder Phosphor Minerale entstanden sind. Mineralien, die in ihren Kristallen in ausreichend hoher Konzentration auch Elemente wie Tantal oder Vanadium enthalten, die ansonsten in der Erdkruste eher verschwindend gering enthalten sind. „Diesen Schritt der Kristallisation von Elementen in der metallurgischen Schlacke möchten wir für das Recycling von Elementen nach dem Schmelzvorgang nutzen“, sagt Peuker.

Im Vorfeld des Schwerpunktprogramms kam den Forscherinnen und Forschern beim Schmelzen von Lithium-Kobalt-Batterien in Clausthal und Aachen der Zufall zu Hilfe: Beim metallurgisch längst etablierten Versuch, das Kobalt durch die Zugabe von Additiven aus der Schlacke zurückzugewinnen, kristallisierte überraschender Weise auch eine Lithiumverbindung. Deshalb nutzt EnAM dieses Lithiumgefüge auch als Modellsystem für seine Fragestellungen.

Denn: Was ist überhaupt nötig, um Kristalle mit Elemente-Einschluss in einer nutzbaren Größe zu erhalten – also zum Beispiel mithilfe welcher Additive? Wie kann man die so entstandenen Kristalle, die vielleicht nur 1 Prozent der erstarrten Schlacke ausmachen und im Zweifelsfall sogar eine fremde Partikelform mit einer unbekannten Oberflächenchemie aufweisen, identifizieren? Und: Wie muss man die feste Schlacke brechen und trennen, um an diese Kristalle dann heranzukommen?

Um hier Antworten zu finden, will EnAM nicht eine ungeheuer vielschichtige reale Schlacke analysieren, sondern baut Schlacke unter idealisierten Laborbedingungen nach. „Wir wollen vom Einfachen her immer komplexer werden, bis wir am Ende die reale dreckige Schlacke haben“, sagt Peuker. „Das ist echte ingenieurwissenschaftliche Grundlagenforschung.“ Und zwar im Zusammenspiel von den Erfahrungswissenschaften über die Lagerkunde und die Mineralogie bis hin zur Chemie, der Thermodynamik und der mathematischen Simulation.

„Toll wäre es, wenn wir am Ende des Schwerpunktprogramms zwei künstliche Mineralsysteme von wichtigen technologisch kritischen Elementen identifiziert haben, die sonst verloren gehen würden“, sagt Peuker. „Und dass dieses Konzept so robust ist, dass es wirklich Potenzial hat, irgendwann einmal im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft technisch genutzt zu werden.“

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