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Seltene Erden

Endlich ein effektives Trennverfahren

13. Mai 2025, 10:31 Uhr | Heinz Arnold

Natrium und Kalium müssen draußen bleiben, Seltene Erden dürfen durch: Die künstlichen Kanäle der neuen Membran können Seltene Erden viel effektiver trennen als das mit Hilfe traditioneller Verfahren bisher möglich ist.

Forschern in den USA ist es gelungen, Seltene Erden effizienter zu trennen, als das bisher möglich war. Damit ließen sich bisher unergiebige Vorkommen nutzen und Souveränität gewinnen.

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Die Wissenschaftler der University of Texas in Austin haben eine künstliche Membran entwickelt, deren Poren ähnlich wirken wie die Kanäle in den Membranen von lebenden Zellen. Sie regeln, ob bestimmte Proteine die Zellmembran in die eine oder andere Richtung zu passieren dürfen oder nicht. Diese Selektivität ist entscheidend für den richtigen Ablauf biologischer Prozesse.

An dieser Technologie arbeiten die Wissenschaftler an der University of Texas schon länger, beispielsweise, um auf Basis von membranbasierten Trennverfahren sauberes Wasser zu erzeugen.

Die neue Membran wurde entwickelt, um die »mittleren« Seltenen Erden separieren zu können, die in Leuchten, Displays und Permanentmagneten und Batterien fast unersetzlich sind. Weil sie in vielen Geräten Einsatz finden, die für die Elektrifizierung und für grüne Energiequellen dringend benötigt werden, wird ihr Bedarf über die kommenden Jahre stark wachsen.

Im Moment ist China mit großem Abstand der größte Produzent von Seltenen Erden. Hier liegen die weltweit größten Vorkommen, hier wurden die größten Aufbereitungskapazitäten aufgebaut. Davon möchten sich die USA unabhängiger machen – die neue Methode könnte ein wichtiger Schritt auf diesem Weg sein.

Von der Biologie inspiriert

Die Wissenschaftler der University of Texas haben sich die die Biologie zum Vorbild genommen und die Poren in der künstlichen Membran mit ähnlichen Eigenschaften versehen, wie sie die Kanäle in Zellmembranen haben. Dazu bauten sie eine Struktur, die Kalium, Natrium und Kalzium nicht durchlässt, für Seltenen Erden aber offen ist, sie ist also sehr selektiv –insbesondere für Seltene Erden untereinander.

Seltene Erden gleichen sich wie Zwillinge

Das ist ein wichtiger Punkt, denn bisher ist es sehr schwierig, Seltene Erden – es werden »leichte«, »mittlere« und »schwere« unterschieden – untereinander zu trennen. Das liegt an dem besonderen Aufbau ihrer äußeren Elektronenschalen, die die chemischen Eigenschaften von Atomen bestimmen: Die äußeren Schalen der Seltenen Erden sind sich untereinander so ähnlich, dass sie sich in ihrem chemischen Verhalten kaum unterscheiden. Deshalb sind ausgeklügelte, aufwändige und teure Verfahren erforderlich, um sie in reine Elemente trennen zu können.

Hohe Selektivität

Die künstlichen Kanäle der neuen Membran könnten das ändern. So liegt ihre Präferenz von Europium (Eu3+) gegenüber Lanthan (dieses Element zählt zu den »leichten« Seltenen Erden) um den Faktor 40 höher, von Terbium (Tb3-) gegenüber Ytterbium (ein »schweres« Selenerdelement) um den Faktor 30 höher. Damit sind die künstlichen Membranen viel selektiver als die traditionellen lösungsmittelbasierten Methoden, die Dutzende von Prozessschritten erfordern, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Effektiv statt komplex und energieaufwändig

»Die Gewinnung und Reinigung Seltene Erden ist energieintensiv und in den erforderlichen Größenordnungen extrem schwierig«, sagt Manish Kumar, Professor im Fariborz Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering der Cockrell School of Engineering und im McKetta Department of Chemical Engineering.

»Unsere künstlichen Kanäle wirken wie kleine Wächter, die nur die gewünschten Ionen durchlassen«, erklärt Venkat Ganesan, Professor im McKetta Department of Chemical Engineering.

Die Selektivität der Kanäle bestimmen die Wechselwirkungen zwischen den Seltenerd-Ionen und dem Kanal, wobei Wasser als Vermittler wirkt, wie Computersimulationen gezeigt haben. Diese Wechselwirkungen ermöglichen es den Kanälen, zwischen Ionen über ihre Hydratationsdynamik zu unterscheiden – also über die Art und Weise, wie Wassermoleküle Ionen umgeben und mit ihnen interagieren.

Von der Natur in industrielle Prozesse

»Dies ist ein erster Schritt auf dem Weg, die molekularen Erkennungs- und Transportstrategien der Natur in robuste industrielle Prozesse zu übertragen und damit eine hohe Selektivität in Bereichen zu erreichen, in denen die derzeitigen Methoden nicht ausreichen«, so Harekrushna Behera, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Kumars Labor, der an dem Projekt mitwirkte.

Die Forscher wollen ihre Technologie jetzt in skalierbare Membransysteme für den industriellen Einsatz zu integrieren. Außerdem arbeiten sie an einer Plattform für diese Kanäle, die es den Nutzern ermöglicht, eine Vielzahl von Ionen auszuwählen. Dazu könnten auch andere wichtige Mineralien wie Lithium, Kobalt, Gallium und Nickel gehören.