Seltene Erden aus Kohleabfällen: Mikrowellenverfahren erschliesst neue Ressourcen

In alten Kohlerevieren und stillgelegten Anlagen liegen Berge grauer Industrie-Rückstände unbeachtet herum, während die Nachfrage nach Hightech-Metallen weiter stark steigt.

Jahrelang galten diese Halden als Entsorgungsproblem und nicht als möglicher Schatz. Eine neue Gewinnungstechnik deutet nun darauf hin, dass sie eine riesige, bislang weitgehend ungenutzte Quelle seltener Erden enthalten könnten – jener Metalle, die Smartphones am Laufen halten, Windturbinen drehen und Elektroautos auf die Strasse bringen.

Von der giftigen Altlast zum strategischen Rohstoff

Abfälle aus der Kohleaufbereitung wurden lange als wertloses Material betrachtet. Sie verstopfen Flusstäler, hinterlassen Narben in der Landschaft und verursachen Millionenbeträge für die Überwachung. In diesen Rückständen finden sich jedoch Spuren seltener Erden (REEs), die für die Technologiewirtschaft dringend benötigt werden.

Allein in Pennsylvania in den USA könnten Lagerstätten aus der Kohleaufbereitung nach Schätzungen von Forschenden bis zu 137.000 Tonnen gewinnbare seltene Erden enthalten. Das ist kein unbedeutender Vorrat: Er entspricht der Förderung mancher aktiver Minen, steckt jedoch in einer widerstandsfähigen Mineralmatrix fest, die sich herkömmlicher Chemie entzieht.

Konventionelle Verfahren stossen an ihre Grenzen, weil die seltenen Erden nicht als einzelne, leicht auslaugbare Körner vorliegen. Stattdessen sind sie in komplexe Aluminosilikat-Minerale eingebunden. Zerkleinern und einfache Säurelaugung erreichen daher kaum etwas. Deshalb schrieb die Industrie diese Abfälle über Jahrzehnte hinweg ab.

Neue Laborarbeiten lassen vermuten, dass diese „wertlosen“ Halden in Wirklichkeit zu den am leichtesten zugänglichen Ressourcen seltener Erden in Industrieländern gehören könnten.

Seltene Erden gewinnen: ein mikrowellenbasiertes Verfahren

Ein Team der Northeastern University in den USA hat einen anderen Weg vorgeschlagen. Anstatt die seltenen Erden unmittelbar aus den unveränderten Mineralen herauszulösen, verändern die Forschenden zunächst die Minerale und greifen die Metalle erst danach an.

Das Verfahren umfasst zwei wesentliche Schritte:

• Eine alkalische Behandlung mit konzentriertem Natriumhydroxid (NaOH)
• Schnelles Erhitzen mit Mikrowellenenergie und anschliessende Säureaufschlussbehandlung

Die Kombination mag an ein drastisches Küchenexperiment erinnern, beruht aber auf fundierter Mineralogie. Kohlerückstände enthalten häufig Kaolinit, ein verbreitetes Tonmineral. Bei stark alkalischen Bedingungen und Mikrowellenerhitzung wird Kaolinit in eine andere Phase namens Hydrosodalith umgewandelt.

Weshalb die Mineralumwandlung entscheidend ist

Hydrosodalith ist poröser und reaktiver als der ursprüngliche Ton. Gerade diese Veränderung von Textur und Struktur ist ausschlaggebend: Ein offeneres Gerüst ermöglicht der Säure einen deutlich besseren Zugang zu den Stellen, an denen die seltenen Erden gebunden sind.

Bei Versuchen mit echten industriellen Abfallproben beobachteten die Forschenden, dass Kaolinit praktisch verschwand oder sich in diese neue poröse Phase umordnete. Röntgendiffraktion und spektroskopische Messungen bestätigten die Umwandlung. Nach diesem Schritt entfernte ein anschliessender Aufschluss mit Salpetersäure seltene Erden mit deutlich höheren Ausbeuten.

Das optimierte Protokoll verdreifachte die Ausbeute wichtiger seltener Erden wie Neodym und Cer nahezu.

Der optimale Bereich wurde unter recht präzisen Bedingungen erreicht: etwa 5-molare NaOH, mittels Mikrowellen auf rund 180°C erhitzt, gefolgt von einer Salpetersäurelaugung. Bei diesen Parametern blieb die Bildung unerwünschter Sekundärminerale, die Metalle einschliessen können, begrenzt, sodass sich die seltenen Erden leichter freisetzen liessen.

Kritische Metalle, geringere Risiken

Das Team verfolgte zudem, welche weiteren Metalle während der Behandlung freigesetzt wurden. In vielen kohlebasierten Abfällen kommt Uran in niedrigen, aber bedenklichen Konzentrationen vor. Bei dem neuen Verfahren gelangt ein grosser Anteil dieses Urans bereits während der alkalischen Phase in Lösung und nicht erst im sauren Schritt.

Diese Abfolge ist für die Sicherheit relevant. Werden radioaktive Elemente unter kontrollierten alkalischen Bedingungen gelöst, könnten die Strahlenrisiken in der späteren, stark säurehaltigen Phase sinken, in der Korrosions- und Aerosolgefahren meist grösser sind.

Eine weitere Beobachtung: Seltene Erden schienen häufig mit Elementen wie Magnesium, Kalzium und Eisen verknüpft zu sein. Die ausgeprägte Korrelation spricht dafür, dass sie in ähnlichen Mineralstrukturen vorkommen. Die gezielte alkalische Behandlung der Aluminosilikat-Phasen erreicht damit mehrere fest eingebundene Metalle gleichzeitig.

Was die Zahlen zeigen

Laut der von dem Forscher Ayodeji Ajayi geleiteten Studie, veröffentlicht in Environmental Science & Technology und von ScienceAlert aufgegriffen, sind die Verbesserungen erheblich:

Parameter	Herkömmliche Laugung	Neues alkalisches + Mikrowellenverfahren
Extraktionseffizienz	Ausgangswert (1x)	Bis zu ~3x höher
Zielelemente	Gemischte seltene Erden	Verbesserte Gewinnung leichter REEs (Nd, Ce)
Uranverhalten	Überwiegend in der Säurephase freigesetzt	Weitgehend in der alkalischen Phase gelöst
Wichtigster Steuerfaktor	Säurestärke	Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis und Veränderung der Mineralphase

Für politische Entscheidungsträger, die sich um Lieferketten sorgen, vermitteln diese Werte eine klare Botschaft: Abfallhalden könnten westliche Volkswirtschaften gegen geopolitische Erschütterungen auf dem Markt für seltene Erden absichern.

Vom Labortisch ins Kohlerevier

Eine überzeugende Laborroutine in einen industriellen Grossprozess zu überführen, ist niemals einfach. Auch die neue Methode bringt eigene Hürden mit sich, vor allem beim Chemikalien- und Energiebedarf.

Alkalische Behandlungen mit konzentrierter NaOH bei hohen Temperaturen sind kostspielig. Mikrowellen ermöglichen zwar effizientes Erwärmen, doch industrielle Reaktoren dieser Art benötigen weiterhin erhebliche Mengen Strom. In Regionen mit überwiegend fossiler Stromerzeugung besteht die Gefahr, Umweltbelastungen vom Bergbaustandort zum Kraftwerk zu verlagern.

Auch die Abfallbehandlung bleibt ein kritischer Punkt. Die wirksamsten Versuche arbeiten meist mit vergleichsweise niedrigen Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnissen oder mehreren Behandlungszyklen. Beide Ansätze erzeugen grosse Mengen alkalischer Flüssigabfälle, die neutralisiert, wiederverwertet oder streng kontrolliert werden müssen.

Ob sich diese Technologie skalieren lässt, wird davon abhängen, ob diese „Nebenströme“ in beherrschbare und möglicherweise wiederverwendbare Prozessflüssigkeiten überführt werden können.

Hinzu kommt, dass jedes Kohlebecken anders beschaffen ist. Die Mineralzusammensetzung unterscheidet sich von Tal zu Tal und teils sogar innerhalb derselben Abraumhalde. Betreiber bräuchten deshalb flexible Rezepturen, die NaOH-Konzentration, Temperatur und Reaktionsdauer an das jeweilige lokale Material anpassen können.

Ein möglicher Pfeiler der Versorgungssicherheit bei seltenen Erden

Trotz dieser Einschränkungen trifft das Konzept auf einen politisch heiklen Zeitpunkt. Seltene Erden stehen im Zentrum der Energiewende und moderner Verteidigungssysteme. Ihre Produktion wird jedoch von wenigen Ländern beherrscht, wobei China eine besonders starke Position einnimmt.

Der Zugriff auf vorhandene Abfallvorräte eröffnet Importländern eine weitere Möglichkeit. Es muss keine neue Grube ausgehoben und kein unberührter Berg gesprengt werden. Stattdessen erhalten durch den Kohlebergbau bereits geprägte Standorte eine zweite Nutzung und schliessen einen Kreislauf, der vor Jahrzehnten begann.

Strategische Planer sprechen zunehmend von „städtischem Bergbau“ und „Sekundärrohstoffen“ – also von der Metallgewinnung aus Produkten und Abfällen statt aus Primärgestein. Durch eine solche Mineralumwandlung aufbereitete Kohlerückstände könnten gut in diese Entwicklung passen.

Was seltene Erden sind und weshalb sie wichtig sind

Trotz ihres Namens sind seltene Erden in der Erdkruste nicht besonders knapp. Die Schwierigkeit besteht darin, dass sie nur selten in hohen Konzentrationen auftreten. Ihre Förderung erfordert häufig die Bewegung gewaltiger Gesteinsmengen und den Umgang mit aggressiven Chemikalien.

Zu dieser Gruppe gehören siebzehn Elemente, darunter Neodym, Praseodym, Dysprosium und Terbium. Viele davon werden für leistungsstarke Permanentmagnete in Elektromotoren, MRT-Geräten, Windturbinen und Kopfhörern eingesetzt. Andere dienen als Leuchtstoffe in Bildschirmen oder als Katalysatoren bei der Erdölraffination.

Leichte seltene Erden wie Neodym und Cer werden derzeit in weit grösseren Mengen gewonnen als schwere seltene Erden, doch beide Gruppen sind strategisch sensibel. Jedes Verfahren, das ihre Rückgewinnung günstiger oder sauberer macht, weckt daher rasch das Interesse von Autoherstellern, Elektronikunternehmen und Verteidigungsbehörden.

Wie eine Skalierung aussehen könnte

Erreicht die alkalisch-mikrowellenbasierte Methode den kommerziellen Massstab, könnte sich die Zukunft von Kohleregionen verändern. Man stelle sich etwa Pennsylvanias Anthrazitgürtel vor: ehemalige Aufbereitungsanlagen, Schlammteiche und Kohleabfallhalden würden nicht durch Vergraben saniert, sondern in modularen Verarbeitungseinheiten behandelt.

Diese Anlagen würden das Material sortieren, kontrollierte NaOH-Behandlungen unter Mikrowellenerhitzung durchführen und die seltenen Erden anschliessend in Säurekreisläufen auslaugen. Reagenzlösungen würden, wo immer möglich, in geschlossenen Kreisläufen zirkulieren. Feste Rückstände, denen ein grosser Teil ihres Metallgehalts entzogen wurde, könnten danach zu sichereren Dämmen oder Bauzuschlagstoffen umgeformt werden.

Aufsichtsbehörden müssten weiterhin Staub, Radionuklide und Grundwasserverschmutzung überwachen. Dennoch könnte der gesamte ökologische Fussabdruck geringer ausfallen als bei der Eröffnung einer neuen Mine für seltene Erden in einer abgelegenen Region ohne vorhandene Infrastruktur.

Zentrale Risiken und Chancen für Gemeinden

Menschen, die in der Nähe von Kohleabfallstandorten leben, haben im Laufe der Jahre viele Versprechen gehört. Jedes neue Projekt zu seltenen Erden wird daher auf nachvollziehbare Skepsis treffen. Anwohner werden klare Antworten zu Luftqualität, Lkw-Verkehr, Lärm und langfristiger Überwachung verlangen.

Positiv könnte die Wiederaufbereitung von Abfällen qualifizierte Arbeitsplätze in Regionen schaffen, die Kohlebeschäftigung verloren haben. Ausserdem könnte sie Flächen freigeben, die derzeit als Gefahrenzonen eingezäunt sind, sobald Rückstände stabilisiert und Metalle abgeschieden wurden.

Der Zielkonflikt hängt davon ab, wie Betreiber drei sensible Punkte bewältigen:

• Umgang mit alkalischen und sauren Prozesswässern
• Kontrolle radioaktiver Elemente wie Uran und Thorium
• Transparente Weitergabe von Überwachungsdaten an lokale Behörden

Bei schlechter Umsetzung könnten diese Faktoren den öffentlichen Widerstand dauerhaft verfestigen. Bei guter Umsetzung könnten sie lang bestehende Narben in Einnahmequellen verwandeln und zugleich die Abhängigkeit von importierten strategischen Metallen reduzieren.

Über Kohleabfälle hinausdenken

Der Mechanismus hinter diesem Durchbruch ist nicht auf Kohlerückstände beschränkt. Zahlreiche industrielle Nebenprodukte – von Bauxitrückständen, dem sogenannten Rotschlamm, bis zu bestimmten Arten von Phosphorgips – enthalten ebenfalls seltene Erden oder andere kritische Metalle, die in widerstandsfähigen Mineralphasen eingeschlossen sind.

Gelingt es Forschenden, ähnliche Mineralumwandlungen für diese Materialien abzustimmen, könnte eine neue Generation von „Abfallraffinerien“ entstehen. Schlacke, Asche und Haldenrückstände würden dann nicht mehr als Endpunkt betrachtet, sondern als Zwischenlager, die für einen weiteren Durchgang bereitstehen, sobald Technologie und Preise dies ermöglichen.

Dieser Wandel würde die Umweltschäden des fossilen Zeitalters nicht ungeschehen machen. Er könnte jedoch zumindest bewirken, dass das Erbe von Kohlefeldern und Raffinerien mehr umfasst als verlassene Gruben und undichte Teiche: einen Vorrat strategischer Metalle, der die ganze Zeit offen zutage lag.