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Rohstoffe und kritische Metalle

Rohstoffforschung mit Synchrotronstrahlung


Metalle für die Energiewende

Die aktuelle und die zukünftige nachhaltige Entwicklung in der Energiewirtschaft benötigt eine Vielzahl von Metallen. Der Metallbedarf für den Ausbau der erneuerbaren Energien ist dabei sehr variabel und reicht exemplarisch von mehreren Tonnen (z.B. Kupfer) bis zu wenigen Kilogramm (z.B. seltene Erden) für eine Windkraftanlage. Dieser erhöhte Anspruch muss für eine globale nachhaltige Entwicklung bedient werden. Lagerstättenforschung untersucht die Bildungsprozesse von metallischen Vorkommen und kann dadurch Hinweise für die Erschließung neuer Lagerstätten geben. Die Rückschlüsse zu den Bildungsbedingungen können weiterhin Hilfestellung zur Verbesserung der Wiederaufarbeitung von Metallen durch Recycling geben.

Forschungsziele

Die Technisierung des Alltags, der erhöhte Energiebedarf und der Verzicht auf fossile Energieträger erfordert für die Zukunft eine Fülle und erhöhte Menge unterschiedlichster Metalle. Voraussagen zum Verhalten dieser bei der Entstehung von Erzvorkommen können nur getroffen werden, wenn man im Detail versteht, wie sie bei unterschiedlichstem Druck und Temperaturbedingungen mobilisiert und angereichert werden können. Die Forschung mit Synchrotronstrahlung hilft dabei, die chemischen Bedingungen und Wechselwirkungen der Metalle mit wässrigen Lösungen, Magmen und anderen Mineralkomponenten zu erfassen. Die wichtigsten Schritte der Mobilisierung und Anreicherung der Metalle finden häufig in wässriger Lösung oder in Magmen statt und können zu sehr komplexen Reaktionen führen. Bei den Studien mit Synchrotronstrahlung wird die Zusammensetzung der Lösung oder der Magmas/Schmelze sowie weitere (Umwelt)-bedingungen in entsprechenden Reaktionszellen variiert, um ein möglichst kohärentes Abbild der natürlichen Prozesse zu generieren. Dieses Abbild hilft die Prozesse der Erzbildung zu verstehen. Dies kann aber auch umgekehrt werden, um Prozesse zu entwickeln, Metalle wieder in Lösung zu bringen und so die Wiederverwertbarkeit durch Recycling zu erhöhen. Aktuelle Forschungen konzentrieren sich hierbei auf sogenannte kritische Metalle, d.h. Metalle von hoher Bedeutung aber mit hohen Unsicherheiten in den produzierenden Ländern wie z.B. Platinmetalle, Seltene Erden oder Wolfram. Die Grundlagenforschung zum Ausfällungsverhalten hilft dabei auch direkt dem Prozessverständnis zur Entstehung von Lagerstätten und dementsprechend unmittelbar der Exploration neuer Erzvorkommen.

Übersicht zum Rohstoffbedarf in Deutschland

Als Industrie- und Forschungsstandort ist der deutsche Rohstoffmarkt auf Importe angewiesen. Detaillierte Information zur Relevanz einzelner Metalle, zu zukünftigen Entwicklungen und zur Versorgungssicherheit können in den regelmäßigen Rohstoffinformation Berichten der Deutschen Rohstoffagentur (DERA) entnommen werden. Auch die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) veröffentlicht in regelmäßigen Abständen Informationen zur Rohstoffsituation in Deutschland.

Rohstoffforschung in Deutschland

Deutschland als historischer Bergbaustandort verfügt über eine Vielzahl von Forschungsinstituten, die national und international die Entstehung, aber auch die Verarbeitung von Erzvorkommen untersuchen. Seit 2020 versucht das DFG-geförderte Schwerpunktprogramm DOME (Dynamics of Ore Metals Enrichment) diese Expertise zu bündeln und durch interdisziplinäre Forschung ein vollständigeres Verständnis lagerstättenbildender Prozesse zu entwickeln. Die Rohstoffforschung in Deutschland zu fördern war auch das Ziel des 2015 vom BMBF initiierten Fördermaßnahme „r4 - Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe“. Die Expertise in der Forschung liegt hierbei nicht bei einzelnen Instituten, sondern in einem Netzwerk aus Forschungseinrichtungen und Universitäten in ganz Deutschland.

Beispiele aus der Forschung

Experimente mit Synchrotronstrahlung haben in den letzten Jahren zu neuen Erkenntnisse zu Metallen wie Gold, Platin, Magnetit, Plutonium oder Eisen geführt. Häufig geht es dabei um ihr Verhalten bei hohem Druck und hohen Temperaturen, wie im Inneren der Erde, aber auch um ihre Wechselwirkungen mit Sulfiden oder bisher unbekannte Varianten, zum Beispiel von Plutonium oder Eisenoxiden.

A mineral pump for gold in the Earth’s crust, Univ. Potsdam, ESRF, 2022

A bright future for research at high-pressures and temperatures at PETRA III, DESY, Bayerisches Geoinstitut (BGI) in Bayreuth, 2022

Platinum hitches a ride with sulfur in the Earth’s crust, Univ. Potsdam, 2021

Minerals let Earth's oceans seep down deeper than expected, DESY, University in South Korea, 2021

A new charge reordering in magnetite, ESRF, 14.12.2021

A new stable form of plutonium discovered at the ESRF, ESRF, HZDR, 18.10.2019

Gold in high-temperature ore-forming fluids has a ubiquitous complex, ESRF, 26.06.2019

The new Iron Age, ESRF, 02.04.2019

Platin schlägt Nanoblasen, DESY, Univ. Hamburg, 24.01.2019

Entdeckung neuer Eisenoxide weist auf große Sauerstoffquelle im Erdmantel, DESY, Univ. Bayreuth, 11.02.2016

Hochdruck-Weltrekord: Forscher quetschen Osmium aus, DESY, Univ. Bayreuth, 24.08.2015