Wir können nicht auf sie verzichten – die TU Delft erforscht neue Wege der Beschaffung kritischer Rohstoffe

Kupfer, Lithium, Kobalt, oder besser: Windturbinen, Solarpaneele, Batterien, Computer, Bildschirme und Geräte aller Art. Dutzende von Rohstoffen stecken hinter jeder Schlüsseltechnologie, die den grünen Wandel vorantreibt und im Mittelpunkt geopolitischer Spannungen steht. David Peck, Professor für kritische Materialien und Produktdesign an der Technischen Universität Delft (TU Delft), vergleicht die heutige Zeit mit der Situation nach dem Zweiten Weltkrieg. Damals hatten die sechs europäischen Länder, die die Europäische Gemeinschaft für Kohle und Stahl bildeten, verstanden, dass es ohne Metalle und Energie keine Zukunft gab. „Heutzutage ist die Situation nicht viel anders; wir können nicht ohne sie auskommen“, betont er.

Die Materialwoche der TU Delft ist in vollem Gange. Mit dieser Initiative stellt die Universität ihre Bemühungen in einem der wichtigsten Bereiche der kommenden Jahrzehnte vor. Im vergangenen Jahr veröffentlichte die Europäische Kommission eine Studie über kritische Rohstoffe (CRM), in der sie deren Rückgangsnachfrage unterstrich, die Liste der CRM aktualisierte und die Abhängigkeit der EU von Drittländern bei den meisten dieser Rohstoffe darlegte.

Im vergangenen März verabschiedete die EU das Gesetz über kritische Rohstoffe, das neue Beschaffungs-, Recycling- und Abbaunormen festlegt und eine diversifizierte, erschwingliche und nachhaltige Versorgung bis 2030 anstrebt. In der Verordnung werden diese Materialien als unverzichtbar für eine Reihe strategischer Sektoren definiert, darunter Luft- und Raumfahrt, Netto-Null-Industrie und Verteidigung. Einer der Grundsätze der Richtlinie besagt, dass 10 % des jährlichen EU-Verbrauchs an Mineralien in Europa abgebaut werden müssen.

Neue Wege im Bergbau

Der Bergbau ist der wichtigste Weg zur Gewinnung von Rohstoffen, und die TU Delft untersucht auch weniger umweltschädliche Wege zur Gewinnung von Materialien. Die Rückgewinnung von Materialien aus Abfallströmen ist eine Möglichkeit. Beim Abbau von Kupfer ist nur 1 % tatsächlich Kupfer, da es sich mit anderen Mineralien verbindet. Die restlichen 99 % werden weggeworfen. Die Minen geben auch Abwässer in die Umwelt ab, die noch Edelmetalle enthalten, wie z. B. Zink im Falle von Kupfer.

Lot van der Graaf, Forscherin in der Abteilung für Ressourcentechnik, untersucht den Einsatz von Mikroorganismen zur Rückgewinnung von Mineralien aus den Abfallströmen der Bergwerke. In gewisser Weise betreibt sie Bergbau mit Bakterien. „Als Mikrobiotechnologin finde ich diese Bakterien faszinierend. Sie leben unter extremen Bedingungen, wo es fast kein Leben gibt, und sie können zur Rückgewinnung von Mineralien genutzt werden, die heute verloren sind”, erklärt sie. Ihr Kollege Tobias Schmiedel untersucht andere potenzielle Mineralienquellen. Geothermisches Wasser zum Beispiel enthält Lithiumkonzentrationen. Interessanterweise befasst sich ein Teil seiner Forschung auch mit Asphaltabfällen, in denen ein Mineral wie Platin – das aus den Auspuffrohren von Autos stammt – gefunden werden kann. Platin – ebenfalls als ZRM eingestuft – wird häufig in der Elektronik- und Automobilindustrie verwendet.

Wiederverwertung

Ein weiteres Ziel des Critical Raw Materials Act ist die Erhöhung des Anteils an recycelten Materialien. Bis 2030 müssen 25 % der jährlich in der EU verbrauchten Rohstoffe recycelt werden. Im Hydrometallurgie-Labor der TU Delft experimentieren Wissenschaftler mit dem chemischen Recycling von elektronischen Bauteilen, wobei eine wässrige Lösung zur Gewinnung von Metallen verwendet wird. Durch die Erforschung von Möglichkeiten zur effizienten Trennung von Materialien und Komponenten ebnen sie den Weg zu einer vollständig kreislauffähigen Elektronik.

Darüber hinaus erforschen die Wissenschaftler auch Möglichkeiten zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien. Ausgehend von der so genannten schwarzen Masse – dem Pulvergemisch, das bei der Zerkleinerung von Batterien anfällt – arbeiten sie daran, die effizientesten Wege zu finden, um wiederverwendbares Nickel, Kobalt oder Lithium zu erhalten. „Schritt für Schritt arbeiten wir daran, alle Mineralien zu trennen und zurückzugewinnen, beginnend mit Aluminium und Kupfer, um dann Mangan, Nickel, Kobalt und sogar Lithium zu gewinnen. Allerdings sind diese Verfahren noch nicht optimal, und wir müssen noch weitere Forschungen durchführen”, erklärt Shoshan Abrahami, Professor an der Fakultät für Maschinenbau.

Rohstoffe aufspüren

Ab 2027 wird der Digitale Produktpass (DPP) der EU eingeführt. Diese Initiative, die mit Metallen, Textilien und Batterien beginnen soll, hat zum Ziel, Daten über den gesamten Lebenszyklus eines bestimmten Materials transparent zu machen. Die Unternehmen müssen sich an die Vorschriften halten und Daten über die Rohstoffe und die Herkunft eines bestimmten Produkts weitergeben, damit die Verbraucher mehr Transparenz über die von ihnen gekauften Waren erhalten. „Die Weitergabe aller Informationen über Produkte und ihre Herkunft ist unerlässlich, um das Recycling und die Wiederverwendung solcher Materialien am Ende ihres Lebenszyklus zu fördern“, so Jolien Ubacht, Professorin an der Fakultät für Politik und Technologiemanagement.

Was kommt als Nächstes?

Mit Blick auf die Zukunft führen Wissenschaftler aus Delft Simulationen über den tatsächlichen Rohstoffbedarf der kommenden Jahrzehnte durch. Willem Auping von der Fakultät für Politik und Technologiemanagement arbeitet an verschiedenen Modellen, um zu berechnen, wie viel ZRM in verschiedenen Szenarien benötigt wird. Und solche Szenarien können je nach den technologischen und strategischen Entscheidungen sowie den Durchbrüchen in dem einen oder anderen Sektor erheblich variieren.

In ähnlicher Weise hat Benjamin Sprecher, Professor an der Fakultät für Industriedesign, anhand der Daten des Netzbetreibers Tennet untersucht, wie die niederländische Stromversorgung in den kommenden Jahren aussehen wird. Er sieht eine Menge Schwankungen in den Produktionsketten. Am Beispiel der Produktion von Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien in China zeigte er, wie die Produktion innerhalb von drei Jahren von 70 % auf 32 % zurückging und in den folgenden drei Jahren wieder um 30 % anstieg. Daher ist es für Länder und Unternehmen schwierig, Bergbauinvestitionen zu planen. „Was den Unterschied ausmacht, ist die staatliche Unterstützung, die in China durchaus vorhanden ist“, sagte er.

Trotz aller Bedenken blickt Peck positiv in die Zukunft. „Wir können nicht in die Zukunft blicken, ohne zurückzuschauen. In der Vergangenheit haben wir schlechte Zeiten erlebt. Haben wir sie durch Erfindungsreichtum, Tatkraft und gemeinsame Arbeit gelöst? Ja, das haben wir. Können wir es wieder tun? Ja, das können wir.“