Verschiedene Pulver seltener Erden im Glasampullen
So sehen Seltene Erden in Reinform aus. Bildrechte: IMAGO

Seltene Erden Recycling: Dresdner Bio-Angeln für seltene Metalle

Jedes Smartphones enthält sogenannte Seltene Erden. Obwohl ihr Abbau teuer ist, werden sie meist weggeworden, wenn das Handy kaputt ist. Dresdner Forscher haben nun ein günstiges Recyclingverfahren entwickelt. Biotechnologie, die auf der Idee beruht, für die im Dezember 2018 der Chemie-Nobelpreis verliehen wird.

Verschiedene Pulver seltener Erden im Glasampullen
So sehen Seltene Erden in Reinform aus. Bildrechte: IMAGO

Im Fernseher, in Energiesparlampen, in Ihrem Autoradio wahrscheinlich auch, und im Smartphone sowieso: In all unseren modernen technischen Geräten stecken "Seltene Erden" – also wertvolle Metalle, ohne die keines dieser elektrischen Geräte mehr funktionieren würde.

Elektronik-/Elektroschrott auf einem Wertstoffhof in Erfurt
Bildrechte: IMAGO/DATA73

Doch besonders nachhaltig werden sie meist nicht behandelt: Einmal verbaut, können sie aus dem Elektroschrott nur schwer wieder zurückgewonnen werden. Bisher ist das Recycling zu kompliziert und kaum bezahlbar. Jetzt haben Dresdner Forscher aber ein neues, günstigeres Verfahren entwickelt.

Marktführer China

Anders als der Name vermuten lässt, sind diese Seltenen Erden auch gar nicht so selten. Die 17 Elemente kommen weltweit vor – allerdings nur an wenigen Orten in höheren Konzentrationen. So wie in China. Die Chinesen sind heute quasi Monopolist beim Seltene Erden-Abbau, sagt die Biotechnologin Franziska Lederer vom Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie – einer Außenstelle des Dresdner Helmholtz-Zentrums.

Eine Frau steht in einem blauen Laborkittel vor einer weißen Labor-Arbeitsfläche.
Franziska Lederer in ihrem Labor in Freiberg. Bildrechte: André Wirsig/HZDR

Im Jahr 2011 haben chinesische Händler die Preise rasant angezogen und auch noch eine Limitation der Ausfuhr von Seltenen Erden bewirkt. Und so hatten Europa und der Rest der Welt ein Problem, denn die technischen Entwicklungen sind am Wachsen und durch die Begrenzung der Einfuhr von Seltenen Erden ist man da ganz schnell in eine Limitation gerutscht.

Franziska Lederer, Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie

Um diese Abhängigkeit zu beenden, erforscht Lederer mit ihren Instituts-Kollegen das Recycling Seltener Erden. Denn das Potential ist längst bekannt: Bis 2020 werden sich in Europa zum Beispiel rund 25.000 Tonnen Leuchtpulver aus Energiesparlampen ansammeln. Das besteht aus einem Mix Seltener Erden.

Hilfe von Bakteriophagen

Aber wie kann man aus so einem Gemisch die einzelnen Elemente herauslesen? Mit Hilfe aus der Biologie und eines Nobelpreisträgers: Die Biotechnologin nutzt nämlich Bakteriophagen. Das sind Viren, die eigentlich Bakterien befallen und die dem diesjährigen Chemie-Nobelpreisträger George Smith zu seinem Preis verholfen haben. Er hat nämlich sogenannte Bibliotheken von ihnen angelegt. Die nutzt auch Lederer.

Bibliothek bedeutet: Jeder Bakteriophage unterscheidet sich von dem neben ihm. Wir haben eine Milliarde Bakteriophagen in einem Gemisch vorliegen. Die unterscheiden sich eigentlich nur in ihren Enden. Jedes Ende ist ein bisschen anders.

Franziska Lederer, Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie

Das Ende ist eigentlich ein Eiweiß. Und jedes dieser Peptide ist sozusagen ein ganz speziell geformtes Puzzleteil. Und mit dieser Milliarde Puzzleteile angelt die Biotechnologin nun in dem Material-Gemisch nach einzelnen Seltenen Erden. "Mein sauberes Material liegt mir auf einer Platte vor. Ich gebe quasi die Bibliothek drauf und es können sich nur wenige dieser Phagen mit ihren Peptidfüßchen daran festhalten", erklärt sie.

Schematische Darstellung des Recyclingverfahrens für Seltene Erden.
Bakteriophagen als Werkzeug zur Entwicklung von Trenn-Materialien auf Peptid-Basis: Mit Peptiden (Mitte) lassen sich strategisch wichtige Rohstoffe recyceln. Um diese Protein-Bruchstücke für jedes Zielmaterial (orange) gezielt anfertigen zu können, setzt die Nachwuchsgruppe BioKollekt am HZDR Bakteriophagen – auf Bakterien spezialisierte Viren (links) – ein. Gebunden an ein Trägermaterial (rechts) angeln die Peptide das gewünschte Metall aus einer Lösung. Bildrechte: Franziska Lederer, HDZR

Siebe Jahren bis zur Marktreife

Seltene Erden Mine bei Las Vegas USA
In diesem Tagebau bei Las Vegas in den USA werden auch Seltene Erden abgebaut. Sind die sächsischen Forscher erfolgreich, ist Deutschland bald weniger stark auf dem Import der teueren Metalle angewiesen. Bildrechte: IMAGO/Kyodo News

Das heißt, es bleiben nur noch wenige tausend Viren übrig, deren Puzzleteil besonders gut passt. Mit denen wird der Vorgang so lange wiederholt, bis nur noch ganz wenige übrig bleiben, die extrem gut an der Seltenen Erde anhaften – die also genau das richtige Puzzleteil-Eiweiß für die eine bestimmte Seltene Erde haben. Und die hat die Biotechnologin auch schon gefunden. "Danach interessiert mich der Bakteriophage nicht mehr. Ich will danach wissen: Was ist denn die genetische Information für die Füßchen, die sehr gut passen – was ist die genetische Information für das Puzzleteil?"

Mit dieser Bauanleitung baut die Biotechnologin die Eiweiße nach und heftet sie an ein anderes Träger-Material, zum Beispiel an einen Magneten oder Styroporkügelchen. Gibt man diese dann in eine Brühe, in der Seltene Erden gelöst sind, kann man diese also einzeln herausangeln. Das Eiweiß verbindet sich mit dem Partikel der Seltenen Erde ganz so wie ein Schlüssel in ein bestimmtes Schloss passt.

Würde man also Elektroschrott verbrennen, könnten die Rohstoffe einfach aus der Asche geangelt werden – genauso wie auch Gold oder Platin. Und auch für das Recycling von Verbundkunststoffen wäre die Methode denkbar, ergänzt Lederer. Doch das dauert noch etwas: Bisher seien sie erst bei Schritt zwei von fünf bei der Entwicklung. Aber in etwa sieben Jahren, schätzt die Biotechnologin, könnte die Technologie ausgereift sein für die industrielle Nutzung.

Dieses Thema im Programm: MDR Aktuell Radio | 17. Oktober 2018 | 07:45 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 16. Oktober 2018, 18:52 Uhr