Recycling Seltener Erden

Magnete, ihr sollt noch mal leben

Von Ulf von Rauchhaupt
Aktualisiert am 15.06.2019
 - 14:12
Ende als Anfang: Schrott aus dem Metall Neodym-Eisen-Bor.
Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden sollte man recyceln. Wenn es um alternative Energien geht, rechnet sich das vielleicht schon bald.

Massives Metall, ein ganzer Klotz davon. Momente später bekommt er Risse, dann zerbröselt er, bis nur noch ein Haufen graues Pulver übrig ist. Fast organisch mutet dieses Geschehen an, wie die Verwesung von etwas Lebendigem, das sein irdisches Dasein abgeschlossen hat und dessen Zerfallsprodukte nun nachfolgenden Generationen zur Verfügung stehen. Staub zu Staub.

Jürgen Gassmann kann den Vorgang nur als Filmaufnahme vorführen, denn die Kammer hinter ihm, in dem dieser Prozess im Labor der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) im unterfränkischen Alzenau stattfindet, hat kein Fenster. Was den Metallklotz nämlich zerkrümeln ließ, ist eine Atmosphäre aus Wasserstoff mit einem Druck von zehn Bar. „Das geht innerhalb von Sekunden“, erklärt der Ingenieur. „Wir können mehrere hundert Kilo innerhalb einer Stunde prozessieren.“ Das Phänomen dahinter nennt sich Wasserstoffversprödung und ist eigentlich gefürchtet, nicht zuletzt im Feld der erneuerbaren Energietechnik, wo das leichte Gas als Energieträger diskutiert wird. Seine besonders kleinen Moleküle dringen gern in Metalle ein und korrodieren sie. In der Reaktorkammer des Fraunhofer IWKS aber wird diese Korrosion absichtlich herbeigeführt, um damit im Versuchsmaßstab Hochleistungsmagnete zu recyceln.

Fatale Anziehung

Solche Magnete gibt es erst seit den 1980er Jahren. Heute werden sie unter anderem in wartungsarmen Windgeneratoren und hocheffizienten Elektroantrieben verbaut, denn sie erzeugen maximal starke Magnetfelder auf minimalem Raum. Später holt Gassmann zwei aneinander haftende, kaum fingernagelgroße Magnete hervor. Nur mit äußerster Mühe lassen sie sich trennen – ein Unterfangen, das nicht ohne Risiko ist. Schnappen sie wieder zusammen, kann das schmerzhafte Quetschungen verursachen. Was nur wenig größere Exemplare solcher Magnete von dazwischen geratenen Fingern oder Händen übrig lassen, dürfte in manchen Fällen kein Unfallchirurg wieder zusammenflicken können.

Die Supermagnete bestehen aus 14 Teilen Eisen, einem Teil Bor und zwei Teilen Neodym, einem Element aus der Gruppe der Seltenen Erden. Oft enthalten sie auch einige Prozent Dysprosium, einem anderen Seltene-Erden-Metall, damit sie noch bei höheren Temperaturen funktionstüchtig bleiben. Neodym und Dysprosium aber kommen heute ganz überwiegend aus China, das laut U.S. Geological Survey auf 37 Prozent der Weltreserven an Seltenen Erden sitzt. Im aktuellen Handelsstreit mit der Trump-Administration droht China jetzt, seine Exporte der immer begehrteren Rohstoffe zu beschränken. Das – sowie die Umweltprobleme, welche die Verarbeitung der Seltenen-Erden-Minerale verursachen kann – lassen es als eine gute Idee erscheinen, diese Metalle zu recyceln.

Noch wird kein Seltene-Erden-Produkt recycelt

Noch wird das nirgends auf industrieller Skala gemacht. Weniger als ein Prozent der heute verarbeiteten Seltenen-Erden-Elemente sind recycelt, schrieben Forscher um Simon Jowitt von der University of Nevada in Las Vegas im vergangenen Jahr in einem Übersichtsartikel. Aber auch davon stamme so gut wie nichts aus ausrangierten Geräten, sogenanntem „End-of-life“-Material, sagt Gassmann, sondern aus Ausschuss oder Fertigungsschrott. „Die Herstellung von Neodym-Eisen-Bor-Magneten enthält eine Zahl von Arbeitsschritten, in denen geschliffen, geschnitten und poliert wird. Dabei geht fast ein Drittel des Inputs an Seltenen-Erden-Elementen verloren“, schreiben Jowitt und Kollegen.

Neodymmagnete stecken nicht nur in Elektroanlagen, sondern auch in Datenspeichern, in kompakten Kopfhörern oder den Vibrationselementen in Handys. Größere Mengen der insgesamt 16 stabilen Elemente der Seltenen-Erden-Gruppe sind Katalysatoren für chemische Prozesse, sind Bestandteil von Nickel-Metallhydrid-Akkus oder von Leuchtstoffen in Energiesparlampen und LEDs. Das Recyclingpotential ist unterschiedlich: Katalysatoren enthalten vor allem Cer und Lanthan, die beiden häufigsten Seltenen-Erden-Metalle, die bei der Gewinnung der übrigen sowieso im Übermaß anfallen. Ihr Recycling dürfte daher auf absehbare Zeit unwirtschaftlich bleiben.

Hier wäre der Wertstoff-Kreislauf praktikabel

Die etwa zehn Prozent Seltener Erden in Nickel-Metallhydrid-Akkus enthalten auch Neodym und sein ebenfalls magnetisch interessantes Schwesterelement Praseodym. Doch wiedergewonnen wird aus solchen Batterien bislang nur das Nickel. Um hier auch an Neodym & Co. zu kommen, bedürfte es besonderer Verfahren entweder pyrometallurgischer Art (vulgo Einschmelzen) oder hydrometallurgischer (Auflösen in Säure). Hier steckt die Entwicklung erst in den Kinderschuhen. Am Recycling von Leuchtstoffen, die mehr als 20 Prozent Seltene-Erden-Elemente enthalten können, wird ebenfalls geforscht, hier aber vor allem an der Wiedergewinnung von Yttrium und Europium sowie demnächst wohl auch Terbium, denn diese Elemente gehören zu der Gruppe der schwereren Seltenen-Erden-Metallen, die in den geförderten Mineralen nur in vergleichsweise kleinen Mengen vorhanden sind. Allerdings würde man auch dafür viel Chemie und Energie aufwenden müssen. Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit dürften hier bis auf weiteres auseinanderfallen.

Verglichen damit ist ein ökonomisch praktikabler Wertstoff-Kreislauf bei Neodym-Eisen-Bor-Magneten heute schon denkbar. Das liegt einmal an der Menge und der Konzentration der Seltenen Erden in diesem Werkstoff. „Nehmen Sie eine Windkraftanlage“, sagt Jürgen Gassmann. „Da haben Sie mehrere Tonnen Magneten in einer Anlage. Die lassen sich leicht einsammeln. In einem Traktionsmotor für Elektrofahrzeuge haben Sie immer noch 1,5 bis 2,5 Kilogramm.“

Man kann existierende Technik nutzen

Der zweite Grund für das hohe Recyclingpotential im Magnetbereich ist der Umstand, dass man hier nicht reines Neodym wiedergewinnen muss, sondern lediglich das Magnetmaterial. Mit der am IWKS in Alzenau verwendeten Wasserstoffversprödung setzt man dazu ein Verfahren ein, das bereits industriell eingeführt ist. Denn Neodym-Eisen-Bor ist keine Legierung, sondern eine sogenannte intermetallische Phase mit einem eigenen spezifischen Kristallgitter. Für die gewünschten magnetischen Eigenschaften bedarf sie einer bestimmten Mikrostruktur, die pulvermetallurgisch erzeugt wird: Das Produkt aus dem Schmelzofen, zentimetergroße, dünne, leicht zerbrechliche Schuppen, wird in Wasserstoff versprödet und anschließend in einer Strahlmühle mittels eines fokussierten Gasstroms noch mal auf die optimale Korngröße heruntergemahlen. Das nun feinere Pulver wird anschließend zu der gewünschten Form gepresst, die der Magnet haben soll, dabei in einem Elektromagneten magnetisch ausgerichtet und anschließend bei hohen Temperaturen gesintert. „Wir setzen dieses Verfahren hier eben für Altmagnete ein“, erklärt Gassmann. „Man fängt dabei nicht beim Schmelzen an, sondern mit der Pulverherstellung. Alle anderen Schritte sind eigentlich identisch zu einer Primärproduktion.“

Doch in vielen Fällen ist das Zerpulvern eines Schrottmagneten nicht so einfach wie bei dem zerfallenden Klotz in dem Videoclip. „Magnete können, etwa in einem Elektromotor, so verbaut sein, dass der Wasserstoff nicht überall dran kommt“, sagt Gassmann. „Oder sie sind mit irgendeinem Epoxidharz umgossen. Das heißt, je nach Anwendung kann es da noch Schritte geben, die man vorher machen muss. Und dafür versuchen wir Prozesse zu entwickeln, damit das wirtschaftlich umsetzbar ist.“

Auch sind Magnete keine Glasflaschen, die nur farblich sortiert werden müssen. Das heißt, sortieren muss man zwar auch, denn es gibt nicht nur Neodymmagnete, sondern etwa auch solche aus Cobalt-Samarium oder aus Eisenoxiden, sogenannten Ferriten. Problematischer ist etwas anderes: „Flaschenglas ist ein Konstruktionswerkstoff“, sagt Gassmann. „Er hat nur die Funktion, dicht zu bleiben. Magnetmaterial hat aber noch eine physikalische Funktion.“ Da kommt es dann eben auf die Zusammensetzung an. „Die größte Schwierigkeit ist die Sammlung dieses Materials in einigermaßen reinen Gebinden.“ Allerdings müssten nicht notwendig alle verschiedenen Zusammensetzungen getrennt recycelt werden. Im Allgemeinen würde es reichen, wenn man jedes Mal wüsste, aus welchem Bereich ein Altmagnet kommt, ob beispielsweise aus einem Motor oder einem Generator. Noch besser wäre es, jeder Magnet wäre mit einem Barcode versehen, dem zu entnehmen wäre, wohin er gehört. Letztlich gilt also für das Seltene-Erden-Recycling Ähnliches, wie für andere Wertstoff-Kreislauf-Visionen: Die technische Machbarkeit ist das eine. Das Einsammeln zu organisieren, zu normieren und gegebenenfalls auch zu regulieren, noch einmal etwas anderes.

Quelle: F.A.S.
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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