Seltene Erden aus Kohleabfällen: Mikrowellenverfahren erschließt strategische Metalle

Über ehemaligen Kohlefeldern und stillgelegten Industrieanlagen liegen Berge grauer Rückstände unbeachtet herum, während die Nachfrage nach Hightech-Metallen weiter stark wächst.

Jahrelang galten diese Halden als kostspieliges Sanierungsproblem statt als möglicher Schatz. Eine neue Extraktionstechnik deutet nun darauf hin, dass sie eine riesige, weitgehend unerschlossene Quelle seltener Erden enthalten könnten – jener Metalle, die Smartphones am Laufen halten, Windkraftanlagen drehen und Elektroautos antreiben.

Von der toxischen Altlast zum strategischen Rohstoff

Abfälle aus der Kohleverarbeitung wurden lange als wertloses Material betrachtet. Sie verstopfen Flusstäler, hinterlassen Narben in der Landschaft und verursachen Kosten in Millionenhöhe für die Überwachung. Doch in diesen Rückständen stecken Spuren seltener Erden (REEs), die für die Technologiebranche dringend benötigt werden.

Allein im US-Bundesstaat Pennsylvania könnten Ablagerungen aus der Kohleverarbeitung nach Schätzungen von Forschenden bis zu 137.000 Tonnen gewinnbarer seltener Erden enthalten. Das ist kein unbedeutender Vorrat: Die Menge kommt der Produktion mancher aktiver Minen nahe. Allerdings sind die Metalle in einer widerstandsfähigen Mineralmatrix eingeschlossen, gegen die herkömmliche Chemie kaum ankommt.

Klassische Verfahren scheitern häufig daran, dass die seltenen Erden nicht als einzelne, leicht auslaugbare Körner vorliegen. Stattdessen sind sie in komplexe Alumosilikatminerale eingebunden. Zerkleinerung und einfache Säureauslaugung bewirken daher nur wenig. Deshalb schrieb die Industrie diese Abfälle über Jahrzehnte hinweg ab.

Neue Laborarbeiten legen nahe, dass diese „wertlosen“ Halden tatsächlich zu den am leichtesten zugänglichen Ressourcen seltener Erden in Industrieländern zählen könnten.

Seltene Erden mit alkalischer Mikrowellenbehandlung gewinnen

Ein Team der Northeastern University in den USA hat einen anderen Ansatz vorgestellt. Die Forschenden versuchen nicht, seltene Erden unmittelbar aus den vorhandenen Mineralen herauszulösen. Zunächst verändern sie die Minerale selbst, bevor sie die Metalle extrahieren.

Das Verfahren besteht aus zwei wesentlichen Schritten:

• einer alkalischen Behandlung mit konzentriertem Natriumhydroxid (NaOH)
• einer schnellen Erwärmung durch Mikrowellenenergie mit anschließender Säureaufschlussstufe

Die Kombination mag wie ein aggressiver Küchenversuch klingen, beruht jedoch auf fundierter Mineralogie. Kohlerückstände enthalten häufig Kaolinit, ein verbreitetes Tonmineral. Bei stark alkalischen Bedingungen und Mikrowellenerwärmung wandelt sich Kaolinit in eine andere Phase namens Hydrosodalith um.

Weshalb die Mineralumwandlung entscheidend ist

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

Bei Versuchen mit tatsächlichen industriellen Abfallproben beobachtete das Forschungsteam, dass sich Kaolinit nahezu vollständig auflöste oder sich in diese neue poröse Phase umordnete. Röntgenbeugung und spektroskopische Messungen bestätigten den Wandel. Nach diesem Schritt entfernte ein nachfolgender Aufschluss mit Salpetersäure seltene Erden mit wesentlich höheren Ausbeuten.

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

Die besten Ergebnisse wurden unter recht genau definierten Bedingungen erzielt: bei etwa 5 molarem NaOH, einer Mikrowellenerwärmung auf rund 180°C und anschließender Auslaugung mit Salpetersäure. Unter diesen Parametern wurde die Bildung unerwünschter Sekundärminerale begrenzt, die Metalle einschließen können. Dadurch ließen sich die seltenen Erden leichter freisetzen.

Kritische Metalle und besser beherrschbare Risiken

Das Team untersuchte zudem, welche weiteren Metalle während der Behandlung freigesetzt werden. In vielen kohlebasierten Abfällen ist Uran in niedrigen, aber besorgniserregenden Konzentrationen vorhanden. Bei dem neuen Verfahren geht ein großer Anteil dieses Urans bereits während der alkalischen Stufe in Lösung, statt erst in der sauren Phase.

Diese Abfolge ist sicherheitsrelevant. Werden radioaktive Elemente unter kontrollierten alkalischen Bedingungen gelöst, könnten sich Strahlenrisiken in der späteren, stark säurehaltigen Prozessstufe verringern. Gerade dort sind Korrosions- und Aerosolrisiken in der Regel höher.

Eine weitere Beobachtung: Seltene Erden schienen oft mit Elementen wie Magnesium, Calcium und Eisen verbunden zu sein. Die ausgeprägte Korrelation weist darauf hin, dass sie ähnliche Mineralstrukturen besetzen. Die gezielte Behandlung von Alumosilikatphasen mit Lauge setzt folglich nicht nur ein einzelnes eingeschlossenes Metall frei.

Was die Zahlen zeigen

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

Parameter	Herkömmliche Auslaugung	Neues alkalisches + Mikrowellenverfahren
Extraktionseffizienz	Ausgangswert (1x)	Bis zu ~3x höher
Zielelemente	Gemischte seltene Erden	Verbesserte Gewinnung leichter REEs (Nd, Ce)
Verhalten von Uran	Überwiegend in der Säurestufe freigesetzt	Weitgehend in der alkalischen Stufe gelöst
Zentraler Steuerfaktor	Säurestärke	Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis und Veränderung der Mineralphase

Für politische Entscheidungsträger, die sich um Lieferketten sorgen, vermitteln diese Zahlen eine klare Botschaft: Abraumhalden könnten westlichen Volkswirtschaften helfen, geopolitische Schocks auf dem Markt für seltene Erden abzufedern.

Vom Labortisch in die Kohleregionen

Eine überzeugende Laborroutine in einen industriellen Großprozess zu überführen, ist nie einfach. Auch die neue Methode bringt eigene Herausforderungen mit sich, angefangen bei dem benötigten Chemikalien- und Energieeinsatz.

Alkalische Behandlungen mit konzentriertem NaOH bei hohen Temperaturen sind kostspielig. Mikrowellen ermöglichen zwar eine effiziente Erwärmung, doch entsprechende industrielle Reaktoren benötigen weiterhin erhebliche Mengen Strom. In Regionen, deren Elektrizität noch aus fossilen Quellen stammt, besteht das Risiko, die Verschmutzung lediglich vom Bergbaustandort zum Kraftwerk zu verlagern.

Auch die Behandlung der Abfälle bleibt ein Knackpunkt. Die wirksamsten Versuche arbeiten meist mit vergleichsweise niedrigen Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnissen oder mit wiederholten Behandlungszyklen. Beide Varianten erzeugen große Mengen alkalischer Flüssigabfälle, die neutralisiert, wiederverwertet oder streng kontrolliert werden müssen.

Ob diese Technologie skalierbar ist, wird davon abhängen, ob sich diese „Nebenströme“ in beherrschbare und möglicherweise wiederverwendbare Prozessflüssigkeiten umwandeln lassen.

Hinzu kommt, dass jedes Kohlebecken anders ist. Die mineralogische Zusammensetzung unterscheidet sich von Tal zu Tal und teils sogar innerhalb derselben Abraumhalde. Betreiber bräuchten daher flexible Verfahrensrezepte, die NaOH-Konzentration, Temperatur und Reaktionszeit an das lokale Material anpassen können.

Ein möglicher Baustein der Versorgungssicherheit bei seltenen Erden

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

Der Zugriff auf bereits vorhandene Abfallbestände eröffnet Importländern eine weitere Möglichkeit. Es müsste keine neue Grube ausgehoben und kein unberührter Berg gesprengt werden. Stattdessen könnten bereits durch Kohlebergbau geprägte Standorte für ein zweites Leben aufgearbeitet werden – und damit einen Kreislauf schließen, der vor Jahrzehnten begann.

Strategische Planer sprechen zunehmend von „städtischem Bergbau“ und „sekundären Ressourcen“: Metalle sollen aus Produkten und Abfällen statt aus neu abgebautem Gestein gewonnen werden. Kohlerückstände, die mit einer solchen Mineralumwandlung aufbereitet werden, könnten gut in diesen Wandel passen.

Was seltene Erden sind und warum 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 vorkommen. Für ihre Förderung müssen oft enorme Gesteinsmengen bewegt und aggressive Chemikalien eingesetzt werden.

Zu dieser Gruppe gehören siebzehn Elemente, darunter Neodym, Praseodym, Dysprosium und Terbium. Viele davon werden in leistungsstarken Permanentmagneten für Elektromotoren, MRT-Geräte, Windkraftanlagen und Kopfhörer verwendet. Andere dienen als Leuchtstoffe in Bildschirmen oder als Katalysatoren in der Erdölraffination.

Leichte seltene Erden wie Neodym und Cer werden derzeit in deutlich größeren Mengen gewonnen als schwere seltene Erden, doch beide Gruppen sind strategisch sensibel. Jedes Verfahren, das ihre Rückgewinnung günstiger oder sauberer macht, weckt deshalb schnell das Interesse von Automobilherstellern, Elektronikunternehmen und Verteidigungsbehörden.

Wie eine Skalierung aussehen könnte

Erreicht das alkalische Mikrowellenverfahren den kommerziellen Maßstab, könnte sich die zukünftige Kohlelandschaft verändern. Denkbar wäre etwa Pennsylvanias Anthrazitregion: Alte Kohleaufbereitungsanlagen, Schlammteiche und Kohlerückstandshalden würden nicht durch bloßes Verfüllen saniert, sondern durch modulare Verarbeitungseinheiten geführt.

Diese Anlagen würden das Material sortieren, kontrollierte NaOH-Behandlungen unter Mikrowellenerwärmung durchführen und anschließend seltene Erden in Säurekreisläufen auslaugen. Reagenzlösungen würden, wo immer möglich, in geschlossenen Kreisläufen zirkulieren. Die festen Rückstände, denen ein großer Teil ihres Metallgehalts entzogen wurde, könnten danach zu sichereren Dämmen oder Bauzuschlagstoffen umgeformt werden.

Regulierungsbehörden müssten weiterhin auf Staub, Radionuklide und Grundwasserkontamination achten. Dennoch könnte der gesamte ökologische Fußabdruck kleiner 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 in der Nähe von Kohleabfallstandorten haben im Lauf der Jahre viele Versprechen gehört. Jedes neue Projekt für seltene Erden wird daher auf nachvollziehbare Skepsis treffen. Anwohner werden klare Antworten zu Luftqualität, Lkw-Verkehr, Lärm und langfristiger Überwachung erwarten.

Auf der positiven Seite könnte die Wiederaufbereitung von Abfällen qualifizierte Arbeitsplätze in Regionen schaffen, die Beschäftigung im Kohlesektor verloren haben. Außerdem könnte sie Flächen freigeben, die derzeit wegen ihrer Gefährlichkeit abgesperrt sind, sobald Rückstände stabilisiert und Metalle abgeschieden wurden.

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

• das Management alkalischer und saurer Prozesswässer
• die Kontrolle radioaktiver Elemente wie Uran und Thorium
• die transparente Weitergabe von Überwachungsdaten an lokale Behörden

Bei schlechter Umsetzung könnten diese Faktoren den öffentlichen Widerstand dauerhaft verfestigen. Bei guter Handhabung könnten sie langjährige Schäden in Einnahmequellen verwandeln und zugleich die Abhängigkeit von importierten strategischen Metallen senken.

Über Kohleabfälle hinausdenken

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

Gelingt es Forschenden, vergleichbare Mineralumwandlungen bei diesen Materialien gezielt einzustellen, könnte eine neue Generation von „Abfallraffinerien“ entstehen. Schlacke, Asche und Rückstände würden dann nicht mehr als Endpunkte gelten, sondern als Zwischenlager, die erneut verarbeitet werden können, sobald Technologie und Preise dies ermöglichen.

Dieser Wandel würde die Umweltschäden der fossilen Ära nicht ungeschehen machen. Er könnte jedoch zumindest dafür sorgen, dass das Erbe von Kohlefeldern und Raffinerien mehr umfasst als verlassene Gruben und undichte Teiche: nämlich ein Reservoir strategischer Metalle, das sich die ganze Zeit über offen sichtbar verborgen hat.