Abbau von Hochtechnologieelementen

Metal­li­sche Roh­stof­fe sind in ihrem Vor­kom­men end­lich. Sie wer­den für vie­le Zukunfts­tech­no­lo­gien, dar­un­ter auch die Elek­tro­mo­bi­li­tät, benö­tigt. Die Tech­no­lo­gie­me­tal­le Indi­um und Ger­ma­ni­um, Kobalt, Lithi­um und sel­te­ne Erden ste­hen auf der Lis­te der kri­ischen Roh­stof­fe für die EU 2020. Die­se Lis­te der wirt­schaft­lich wich­tigs­ten Roh­stof­fe mit hohem Ver­sor­gungs­ri­si­ko soll bei Ver­hand­lun­gen von Han­dels­ab­kom­men hel­fen, aber auch For­schung und Inno­va­tio­nen eben­so wie eine nach­hal­ti­ge Beschaf­fung vorantreiben. 
Vie­le Pri­mär­roh­stof­fe kom­men nur in weni­gen Län­dern vor. Sie sind geo­gra­fisch ungleich­mä­ßig ver­teilt und schlecht zugäng­lich. Teil­wei­se kom­men sie in so klei­nen Men­gen vor, dass ihre Gewin­nung unren­ta­bel ist. Dar­über hin­aus zie­hen berg­bau­li­che Akti­vi­tä­ten ein­schnei­den­de Umwelt­aus­wir­kun­gen nach sich. Grund genug für die Audi Stif­tung für Umwelt, gemein­sam mit dem Insti­tut für Ther­mi­sche Ver­fah­rens­tech­nik, Umwelt- und Natur­stoff­ver­fah­rens­tech­nik der TU Berg­aka­de­mie Frei­berg alter­na­ti­ve Gewin­nungs­me­tho­den zur Roh­stoff­si­che­rung zu eta­blie­ren. Das auf zwei Jah­re ange­leg­te For­schungs­pro­jekt ging der Fra­ge­stel­lung nach: „Wie kann man Berg­bau umwelt­ver­träg­li­cher gestal­ten?“ Dafür arbei­te­ten die For­schen­den sowohl im Labor als auch unter Tage in rea­ler Ein­satz­um­ge­bung in einem For­schungs­berg­werk, um die Theo­rie in die Pra­xis umzusetzen. 
Metho­den­kom­bi­na­ti­on zur nach­hal­ti­gen Gewin­nung von Hochtechnologieelementen
Ziel ist es, Hoch­tech­no­lo­gie­ele­men­te aus Erzen zu lösen, ohne die Natur durch gro­ße Boh­run­gen und Spren­gun­gen zu zer­stö­ren. Im Gegen­satz zur klas­si­schen Metho­de des Erz­ab­baus wird hier ähn­lich wie in der heu­ti­gen Chir­ur­gie mini­mal­in­va­siv gear­bei­tet. Das hat meh­re­re Vor­tei­le: Es kom­men kei­ne schwe­ren Maschi­nen, wesent­lich weni­ger Ener­gie und weni­ger Che­mi­ka­li­en zum Ein­satz, eben­so ent­ste­hen kei­ne Schä­den in der Land­schaft. „Das Ver­fah­ren ist umwelt­scho­nend und inno­va­tiv, da grö­ße­re berg­bau­li­che Akti­vi­tä­ten wei­test­ge­hend ver­mie­den und auch klei­ne Erz­men­gen gewon­nen wer­den“, sagt Rüdi­ger Reck­na­gel, Geschäfts­füh­rer der Audi Stif­tung für Umwelt. Es stär­ke die Importu­n­ab­hän­gig­keit und erhö­he damit die Versorgungssicherheit.
Das Ver­fah­ren, die soge­nann­te In-situ-Bio­lau­gung, wur­de im Labor ent­wi­ckelt, opti­miert und schließ­lich im For­schungs­berg­werk der TU Berg­aka­de­mie Frei­berg unter rea­len Bedin­gun­gen erprobt. Dabei boh­ren die For­schen­den unter Tage klei­ne Löcher in den Erz­gang. Wäh­rend des Lau­gungs­ver­fah­rens wer­den die Wert­ele­men­te mit Hil­fe von Mikro­or­ga­nis­men aus dem Erz gelöst. Die­se Mikro­or­ga­nis­men sind bereits im Berg­werk vor­han­den. „Die Bak­te­ri­en sind für uns die klei­nen Berg­bau­ar­bei­ter, die hel­fen, die Metal­lio­nen in eine Lösung zu über­füh­ren“, erklärt Roland Hase­ne­der vom Insti­tut für Ther­mi­sche Ver­fah­rens­tech­nik, Umwelt- und Natur­stoff­ver­fah­rens­tech­nik. So löst sich ein Teil der mine­ra­li­schen Bestand­tei­le. Die­sen Schritt kom­bi­nie­ren die Expert_innen mit einer direk­ten zwei­stu­fi­gen Mem­bran­auf­be­rei­tung. „Trans­port­kos­ten und Logis­tik ent­fal­len, weil wir vor Ort arbei­ten“, sagt Hase­ne­der. Die Anla­ge trennt zudem die Mikro­or­ga­nis­men ab und führt die­se gemäß der Kreis­lauf­wirt­schaft wie­der dem Lau­gungs­pro­zess zu.
Ziel die­ses Pro­zes­ses ist es, aus einem Mul­ti­kom­po­nen­ten­ge­misch Indi­um und Ger­ma­ni­um abzu­tren­nen und anzu­rei­chern. Die­se bei­den stra­te­gi­schen Metal­le sind not­wen­dig für High­tech­pro­duk­te wie Flach­bild­schir­me, Touch­screens, Navi­ga­ti­ons­sys­te­me, Glas­fa­ser­tech­no­lo­gie, Com­pu­ter­chips, Pho­to­vol­ta­ik­an­la­gen und Gleit­la­ger von Automobilen.
Labor- und Pra­xis­test unter Tage bewei­sen Effizienz
Die Expert_innen woll­ten her­aus­zu­fin­den, wie sich das Sys­tem in 147 Metern Tie­fe bei über 90 Pro­zent Luft­feuch­tig­keit, zehn Grad Cel­si­us und sau­rem Tropf­was­ser behaup­tet. Wich­ti­ge Kenn­grö­ßen waren dabei unter ande­rem die Zusam­men­set­zung der Bak­te­ri­en­lö­sung, die Anrei­che­rung mit den Ziel­ele­men­ten, die ver­wen­de­ten Pro­zess­pa­ra­me­ter und die Aus­beu­te an Ziel­ele­men­ten. Die Tests konn­ten die Effi­zi­enz des Sys­tems bewei­sen. „Wir haben den Druck, die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit und die Rei­ni­gungs­pro­zes­se ange­passt und so die Tren­nung deut­lich ver­bes­sert“, sagt Hase­ne­der. Die Trenn­leis­tung habe sich bei Ger­ma­ni­um um 20 Pro­zent im Ver­gleich zu den Labor­ex­pe­ri­men­ten stei­gern lassen.

Zukünf­tig soll das nach­hal­ti­ge Gewin­nungs­ver­fah­ren auch für wei­te­re Ele­men­te wie etwa Kobalt in ande­ren Lager­stät­ten zum Ein­satz kom­men. Dabei ist das Ver­fah­ren ins­be­son­de­re für die Gewin­nung von Wert­ele­men­ten aus Armer­zen – Erzen mit gerin­gem Wert­stoff­ge­halt – und aus Sekun­där­roh­stof­fen geeig­net sowie für den Ein­satz an alten Berg­bau­stand­or­ten unter Nut­zung der bestehen­den Infra­struk­tur. Zudem könn­te das Ver­fah­ren Hase­ne­der zufol­ge auf ande­re Fra­ge­stel­lun­gen wie das Urban Mining über­tra­gen wer­den. An der TU Berg­aka­de­mie Frei­berg ist die Suche nach geeig­ne­ten Part­nern zur Anwen­dung an ande­ren Stand­or­ten in vol­lem Gan­ge. Die gro­ße Visi­on: den mini­mal­in­va­si­ven Berg­bau glo­bal umsetzen.