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Unterschätze Hightech-Tausendsassas: die Seltenerdmetalle (SE)

Von Hans-Jörg Müllenmeister 

In Hightech-Produkten sind Metalle der Seltenerden hochwillkommene Gäste. Sprechen wir etwa über Neodym, dem starken Mitglied der Großfamilie der Lanthanoide oder Seltenerden, kurz SE genannt. Neodym-Magnete können elegant Goldfälschungen (Wolfram-Beigaben) entlarven, enorme Hubkräfte entfalten und sie sind in vielen elektronischen Geräten Stammgäste. Ein spannendes SE-Metall ist auch Lanthan. Ihm gehört die Hightech-Zukunft auf dem Gebiet der sogenannten Supraleitung: Der heilige Gral der Festkörperphysik. 

Zum Kennenlernen der 17 Seltenerdmetalle (SE)

Der Sammelname führt in die Irre, denn diese Elemente sind weder selten noch irden (Erde steht für Oxide), sondern allesamt silberglänzende, eher weiche Metalle mit einer fünf- bis neunmal höheren Dichte als Wasser. Zur metallischen Großfamilie der Seltenerden zählen 17 Metalle: Scandium, Yttrium und Lanthan – und die 14 im Periodensystem auf das Lanthan folgende Metalle, die sogenannten Lanthanoide. Dazu gehören das Neodym.

Typisch ist nicht die Seltenheit, sondern eher der unedle Charakter der Erden. Wegen der Ähnlichkeit der Familienmitglieder sind sie schwer zu trennen: Ihr Atomaufbau unterscheidet sich nur in der drittäußeren Elektronenschale; diese ist je nach Familienmitglied mit 18 bis 32 Elektronen besetzt. Eine ähnliche Affinität im Familienverband findet sich übrigens auch bei den Platinmetallen Osmium, Palladium, Rhodium, Iridium und Platin.

1794 kam man den Seltenerden auf die Spur, man entdeckte zuerst sogenannte Yttererde. Zunächst glaubte man, dass es sich um ein einziges Oxyd handle. Aber erst im 20. Jahrhundert gelang die "reinrassige" Trennung der einzelnen SE-Familienmitglieder durch Ionenaustausch. 

Faszinierend ist, dass die SE in der Erdhülle zwar relativ häufig vorkommen (etwa mit 50 ppm, Cer z.B. 6-mal häufiger als Blei), indes aber nur an wenigen Orten in abbauwürdigen Mineralien stecken. Offensichtlich kaprizierte sich die Natur topographisch auf China. Hier lagert ein Großteil des Weltvorrats an Seltenerden. Damit beginnt das Kräftespiel der Industrienationen um ein wichtiges Gut der Hightech-Industrie. Der Rohstoff-Investor horcht auf, denn das Gerangel verspricht eine spannende Story am Rohstoffmarkt. 

SE-Familienaufstellung mit einigen typischen Anwendungen

  • Cer dient, ebenso wie Lutetium, auch als Katalysator beim Cracken und Polymerisieren. Ceroxid ist ein leistungsfähiges Poliermittel in der Glasindustrie.

  • Dysprosium (griechisch dysprósitos “schwer zugänglich“) und Thulium findet sich als Neutronenabsorber in Kernkraftwerken.

  • Gadolinium ist das einzige ferromagnetische SE-Metall. Es gewinnt in der zukünftigen Kältetechnik mit hoher thermodynamischer Effizienz an Bedeutung. Als Kontrastmittel bei der MRT-Untersuchung eingesetzt, leistet es gute Dienste bei kniffligen Diagnostik-Fragen. Wo aber nicht unbedingt nötig, rate ich bei wiederholter MRT-Untersuchung davon ab; siehe Medtipp.com. Gadolinium – umstrittenes Kontrastmittel bei MRT.

  • Terbium dient als Lasermaterial.

  • Praseodym färbt Schutzgläser gelb.

  • Promethium dient als Wärmequelle in Raumsonden.

  • Ytterbium findet sich in der Röntgentechnik und Hochleistungskeramik.

  • Yttrium. Damit gibt es ein künstliches Produkt für den Diamanten mit Diamant-ähnlichen Eigenschaften, ein Yttrium-Aluminium-Granat – ursprünglich ist dieser YAG-Stein ein Produkt der Lasertechnik.

  • Hervorzuheben ist Lanthan, der einzige Supraleiter der SE-Familie bei tiefen Temperaturen. Es wird sich vor allem in den künftigen Generationen des Automobilbaus einen Namen machen. Für den Elektroantrieb in Hybridfahrzeugen bedarf es einer leistungsstarken, leichten Stromquelle mit langer Lebensdauer. Das leisten Nickel-Metallhydrid-Batterien mit hoher Energiedichte, deren Anode eben aus Lanthanoiden (u.a. Cer, Lanthan) besteht. 

Neodym-Anwendungen

Die Elementbezeichnung für Neodym bedeutet auf griechisch „neuer Zwilling“ von Lanthan. Das Metall wird in Form der Legierung Neodym-Eisen-Bor für starke Permanentmagnete verwendet; sie sorgen in Elektromotoren für kraftvollen Antrieb. Ein Hybridfahrzeug enthält etwa 20 kg an SE. Die Wasserstoff-Autogeneration mit Brennstoffzellenantrieb nutzt mehrere Elektromotoren mit Neodym-Magneten. Man kann davon ausgehen, dass allein diese Hochtechnologien die Nachfrage nach Seltenerdmetallen rasant ansteigen lässt. SE werden ebenso genutzt in Kernspintomographen, Mikromotoren und Festplatten, Dauermagnet-Rotoren, effizienten permanenterregten Synchronmaschinen, in einigen Windkraftanlagentypen zum Antrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen, Linearmotoren für Positionierachsen, hochwertigen Lautsprechern und Kopfhörern. 

Neodym als Kraftpaket

Neodym ist der „Leistungsträger“ in der Seltenerden-Mannschaft. Er ist ein bedeutender Rohstoff für die Zukunft. Neodym-Eisen-Bor-Legierungen stellen Werkstoffe mit hohen ferromagnetischen Eigenschaften dar. Daraus lassen sich die stärksten Permanentmagnete fertigen. Diese sind essenziell für die Herstellung von effizienten Synchron-Elektromotoren mit hohen Leistungsdichten und kompakter Bauweise. Das ist insbesondere für mobile, batteriebetriebene Anwendungen entscheidend. Hier spielen ja Gewichts- und Effizienzaspekte eine wichtige Rolle. Diese sind so stark, dass der Umgang mit ihnen zu besonderer Vorsicht gemahnt. Supermagnete können Quetschwunden verursachen oder elektronische Geräte zerstören: In die Nähe von Armbanduhren gebracht, könnte das zum Zeit-Aus führen, denn Zeiger aus Stahl reißen einfach ab. 

Aufgepasst: Neodym-Magnete entlarven Goldfälschungen

Bereits vor etlichen Jahren hatte ich eine akustische Methode (ohne irgend ein Gerät) vorgeschlagen, wie man physikalisch „Wolfram-angereicherte“ Goldbarren enttarnt. Heute gibt es dank der Super-Magnete aus Neodym eine elegante und sichere Methode für den Hausgebrauch. Ja, Gauner und Fälscher haben es auch nicht leicht, die Leute für dumm zu verkaufen.

Neodym-Magnete können nämlich diamagnetische Substanzen von paramagnetischen unterscheiden. Das können sie z.B. an gefälschten Goldbarren oder Goldmünzen feststellen: Hängen sie dazu an einem langen Fadenpendel Ihr Prüfobjekt „Gold“ auf und nähern langsam einen Super-Magneten dem Testobjekt: Ist dieser Prüfling diamagnetisch und wird vom Super-Magneten leicht abgestoßen, ist die Münze oder der Barren Goldes wert; sind sie aber gefälscht, also mit paramagnetischem Wolfram „angereichert“, werden sie leicht angezogen. Gefälschte Goldbarren oder Münzen enthalten Wolfram-Stäbe, die in ihrer Wichte etwa der des Goldes entsprechen. Da die paramagnetische Wirkung allgemein viel stärker als die diamagnetische ist, kann schon wenig Wolfram im Gold die diamagnetische, also abstoßende Wirkung am Super-Magnet aufheben. Übrigens ist Silber ebenfalls diamagnetisch und wird vom Super-Magneten abgestoßen. 

Nahe Zukunft: Ein denkbares Element-Ensemble aus Supraleiter La mit H und Ag

Es ist wahrscheinlich, dass der Wasserstoffgasriese Jupiter wegen des herrschenden titanischen Drucks in seinem Innern metallischen Wasserstoff als Supraleiter birgt. Gäbe es auf Erden einen Elementen-Mix mit Wasserstoff, der auch Supraleitfähigkeit zuließe? Hier nur kurz skizziert: Man fülle neben Lanthan auch Wasserstoffgas in eine Diamantstempelzelle und erhöhe den Druck. Bei einem gigantischen Druck von über 170 Gigapascal – das entspricht mehr als dem millionenfachen Luftdruck – bildete sich ein bestimmter Stoff aus jeweils einem Lanthan-Atom und zehn Wasserstoff-Atomen. Bei einer „Hochtemperatur“ von rund 250 Kelvin, also bei etwa -23° Celsius, sinkt der elektrische Widerstand in dem Gebilde gegen null! Diesen Mix könnte man als „Feingranulat“ pulverisiert in Röhren abfüllen: Jetzt kommt das Silber ins Spiel, nämlich als Umhüllung (Koaxialkabel); Silber selbst ist zwar der beste elektrische Leiter, aber eben kein Supraleiter. Aufgemerkt: In einem „verlustlosen“ Hochtemperatur-Supraleiter (HTSP) erfährt der Strom keinen Widerstand, also keinen Energieverlust nahe des absoluten Nullpunkts (entspr. - 273°C). Genau das ist der Clou. Hier nutzt man die enorme Dehnfähigkeit von Silber, denn man kann die verfüllte Silber-Röhre so verdünnisieren und samt Inhalt zur größeren Länge ausziehen. Was könnte aus dieser Prozedur entstehen? Ein Hochtemperatur-Supraleiter, der so gut wie keine Kühlung, also kaum zusätzliche Energie benötigt.

In Prosa: Das wäre so etwas wie der heilige Gral der Festkörperphysik! Zugegeben, die mit der Supraleitung verbundenen Quanteneffekte sind bis heute noch nicht ausreichend verstanden. Könnte mit dem Dreiklang aus den Elementen Wasserstoff, Silber, Lanthan ein Traum der Menschheit in Erfüllung gehen? Könnten z.B. Überlandleitungen entstehen ohne Energieverlust, abgesehen von den Corona-Verlusten ‒ nein, nicht die durch das Virus verursachten; der Terminus Technicus steht für die Glimmerscheinungen durch die starke elektrische Feldstärke. 

Der skizzierte Elemente-Dreiklang verspricht eine glänzende Zukunft. Einen Wink an den Rohstoff-Investor: Halten Sie Ausschau nach kerngesunden Unternehmen, z.B. in Kanada, die sich mit H, Ag oder SE (USA) befassen. Das sind für Sie hübsche Depot-Perlen.

Übrigens: Allein der geschätzte Neodym-Praseodym-Bedarf für 2035: ein 21-Meter-Würfel, dem entspricht das Volumen des gesamten Weltgoldbestandes. Der Bedarf an HTS-Leitern bis 2025 läge m. E. in der Größenordnung des Äquatorumfangs. Da fragt man sich: Wo kommt allein für diese Lanthan-Silber-Supraleiter das ganze Silber her? Denken sie bloß an die notwendige Erneuerung des maroden Überlandnetzes des Micky Maus-Landes unter King Donald.

Sicher werden uns in Zukunft die schlitzäugigen Kobolde der SE-Metalle aus Chinas Erdengrund noch manchen Glanz in die Hightech-Hütte zaubern.

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