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May 03, 2023

Wie Seltenerdelemente moderne Technologie ermöglichen

Im August hat China den Bau einer Magnetschwebebahn mit Magneten abgeschlossen

Im August schloss China den Bau einer Magnetschwebebahnlinie ab, die Magnete aus Seltenerdlegierungen nutzt, um Waggons schweben zu lassen, ohne Strom zu verbrauchen.

Xinhua/Alamy Stock Foto

Von Nikk Ogasa

16. Januar 2023 um 8:00 Uhr

In Frank Herberts Weltraumoper „Dune“ verleiht eine kostbare natürliche Substanz namens Gewürzmelange den Menschen die Möglichkeit, weite Teile des Kosmos zu durchqueren, um eine intergalaktische Zivilisation aufzubauen.

Im wirklichen Leben hier auf der Erde hat eine Gruppe natürlicher Metalle, die als Seltene Erden bekannt sind, unsere eigene technologiegetriebene Gesellschaft ermöglicht. Die Nachfrage nach diesen entscheidenden Komponenten in nahezu der gesamten modernen Elektronik steigt sprunghaft an.

Seltene Erden erfüllen tausende verschiedene Bedürfnisse – Cer wird beispielsweise als Katalysator zur Raffinierung von Erdöl verwendet und Gadolinium fängt Neutronen in Kernreaktoren ein. Die herausragendsten Fähigkeiten dieser Elemente liegen jedoch in ihrer Lumineszenz und ihrem Magnetismus.

Wir verlassen uns auf seltene Erden, um unsere Smartphone-Bildschirme einzufärben, fluoreszieren, um die Echtheit von Euro-Banknoten zu signalisieren, und leiten Signale über Glasfaserkabel über den Meeresboden weiter. Sie sind auch für den Bau einiger der stärksten und zuverlässigsten Magnete der Welt unerlässlich. Sie erzeugen Schallwellen in Ihren Kopfhörern, verbreiten digitale Informationen im Weltraum und verändern die Flugbahnen wärmesuchender Raketen. Seltene Erden treiben auch das Wachstum grüner Technologien wie Windenergie und Elektrofahrzeuge voran und könnten sogar neue Komponenten für Quantencomputer hervorbringen.

„Die Liste lässt sich endlos fortsetzen“, sagt Stephen Boyd, ein synthetischer Chemiker und unabhängiger Berater. "Sie sind überall."

Bei den seltenen Erden handelt es sich um die Lanthaniden – Lutetium und alle 14 Elemente zwischen Lanthan und Ytterbium in einer Zeile des Periodensystems – sowie Scandium und Yttrium, die in der Regel in denselben Erzlagerstätten vorkommen und ähnliche chemische Eigenschaften wie die Lanthaniden haben. Diese grauen bis silbrigen Metalle sind oft formbar und haben hohe Schmelz- und Siedepunkte.

Ihre geheimen Kräfte liegen in ihren Elektronen. Alle Atome haben einen Kern, der von Elektronen umgeben ist, die sich in Zonen befinden, die Orbitale genannt werden. Elektronen in den Orbitalen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, sind die Valenzelektronen, die an chemischen Reaktionen teilnehmen und Bindungen mit anderen Atomen eingehen.

Die meisten Lanthaniden besitzen einen weiteren wichtigen Elektronensatz, die sogenannten „f-Elektronen“, die in einer Goldlöckchen-Zone in der Nähe der Valenzelektronen, aber etwas näher am Kern liegen. „Es sind diese f-Elektronen, die sowohl für die magnetischen als auch lumineszierenden Eigenschaften der Seltenerdelemente verantwortlich sind“, sagt Ana de Bettencourt-Dias, anorganische Chemikerin an der University of Nevada, Reno.

Die Seltenen Erden sind eine Gruppe von 17 Elementen (im Periodensystem blau hervorgehoben). Eine Untergruppe seltener Erden, die als Lanthaniden bekannt ist (Lutetium, Lu, plus die Reihe, die mit Lanthan, La beginnt), enthält jeweils eine Unterschale, die typischerweise f-Elektronen beherbergt, die den Elementen magnetische und lumineszierende Eigenschaften verleihen.

An manchen Küsten leuchtet das nächtliche Meer gelegentlich bläulichgrün, wenn biolumineszierendes Plankton in den Wellen herumgeschüttelt wird. Auch Seltenerdmetalle strahlen bei Anregung Licht aus. Der Trick besteht darin, ihre f-Elektronen zu kitzeln, sagt de Bettencourt-Dias.

Mit einer Energiequelle wie einem Laser oder einer Lampe können Wissenschaftler und Ingenieure eines der f-Elektronen einer seltenen Erde in einen angeregten Zustand versetzen und es dann in die Lethargie, den Grundzustand, zurückfallen lassen. „Wenn die Lanthaniden in den Grundzustand zurückkehren“, sagt sie, „strahlen sie Licht aus.“

Laut de Bettencourt-Dias emittiert jede seltene Erde bei Anregung zuverlässig Licht mit präzisen Wellenlängen. Diese zuverlässige Präzision ermöglicht es Ingenieuren, elektromagnetische Strahlung in vielen elektronischen Geräten sorgfältig abzustimmen. Terbium beispielsweise emittiert Licht mit einer Wellenlänge von etwa 545 Nanometern und eignet sich daher gut für die Herstellung grüner Leuchtstoffe in Fernseh-, Computer- und Smartphone-Bildschirmen. Europium, das in zwei gängigen Formen vorkommt, wird zur Herstellung roter und blauer Leuchtstoffe verwendet. Insgesamt können diese Leuchtstoffe Bildschirme mit den meisten Regenbogenschattierungen bemalen.

Seltene Erden strahlen auch nützliches unsichtbares Licht aus. Yttrium ist ein wichtiger Bestandteil von Yttrium-Aluminium-Granat oder YAG, einem synthetischen Kristall, der den Kern vieler Hochleistungslaser bildet. Ingenieure stimmen die Wellenlängen dieser Laser ab, indem sie YAG-Kristalle mit einer anderen seltenen Erde verknüpfen. Die beliebteste Variante sind Neodym-YAG-Laser, die für alles verwendet werden, vom Schneiden von Stahl über das Entfernen von Tätowierungen bis hin zur Laser-Entfernungsmessung. Erbium-YAG-Laserstrahlen sind eine gute Option für minimalinvasive Operationen, da sie leicht vom Wasser im Fleisch absorbiert werden und daher nicht zu tief einschneiden.

Über Laser hinaus ist Lanthan entscheidend für die Herstellung des infrarotabsorbierenden Glases in Nachtsichtbrillen. „Und Erbium treibt unser Internet an“, sagt Tian Zhong, Molekularingenieur an der University of Chicago. Ein Großteil unserer digitalen Informationen wird über optische Fasern als Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1.550 Nanometern übertragen – die gleiche Wellenlänge, die Erbium aussendet. Die Signale in Glasfaserkabeln werden schwächer, je weiter sie sich von ihrer Quelle entfernen. Da sich diese Kabel über Tausende von Kilometern über den Meeresboden erstrecken können, wird den Fasern Erbium zugesetzt, um die Signale zu verstärken.

Im Jahr 1945 konstruierten Wissenschaftler ENIAC, den weltweit ersten programmierbaren Allzweck-Digitalcomputer (SN: 23.02.46, S. 118). ENIAC, auch „Riesengehirn“ genannt, wog mehr als vier Elefanten und hatte eine Grundfläche von etwa zwei Dritteln der Größe eines Tennisplatzes.

Weniger als 80 Jahre später passt das allgegenwärtige Smartphone – das über weitaus mehr Rechenleistung verfügt als ENIAC jemals – genau in unsere Handflächen. Die Gesellschaft verdankt diese Miniaturisierung der elektronischen Technologie zu einem großen Teil der außergewöhnlichen magnetischen Kraft der seltenen Erden. Winzige Seltenerdmagnete können die gleiche Aufgabe erfüllen wie größere Magnete, die ohne Seltenerdmetalle hergestellt werden.

Es sind diese f-Elektronen im Spiel. Seltene Erden haben viele Elektronenorbitale, aber die f-Elektronen bewohnen eine bestimmte Gruppe von sieben Orbitalen, die als 4f-Unterschale bezeichnet wird. In jeder Unterschale versuchen Elektronen, sich auf die darin befindlichen Orbitale auszubreiten. Jedes Orbital kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen. Da die 4f-Unterschale jedoch sieben Orbitale enthält und die meisten seltenen Erden weniger als 14 f-Elektronen enthalten, neigen die Elemente dazu, mehrere Orbitale mit nur einem Elektron zu haben. Neodym-Atome besitzen beispielsweise vier dieser Einzelgänger, während Dysprosium und Samarium fünf haben. Entscheidend ist, dass diese ungepaarten Elektronen dazu neigen, in die gleiche Richtung zu zeigen – oder sich zu drehen –, sagt Boyd. „Das ist es, was den Nord- und den Südpol erschafft, die wir klassisch als Magnetismus verstehen.“

Da diese einzelnen f-Elektronen hinter einer Hülle aus Valenzelektronen herumhuschen, sind ihre synchronisierten Spins etwas vor entmagnetisierenden Kräften wie Hitze und anderen Magnetfeldern abgeschirmt, was sie ideal für den Bau von Permanentmagneten macht, sagt Zhong. Permanentmagnete, wie sie zum Beispiel Bilder an einer Kühlschranktür halten, erzeugen passiv Magnetfelder, die aus ihrer atomaren Struktur entstehen, im Gegensatz zu Elektromagneten, die elektrischen Strom benötigen und ausgeschaltet werden können.

Seltene Erden machen Smartphones und andere Technologien möglich, stellen sie jedoch vor große Herausforderungen. Lesen Sie mehr aus dieser Serie:

Doch auch mit ihrer Abschirmung haben die Seltenen Erden ihre Grenzen. Reines Neodym beispielsweise korrodiert und bricht leicht, und seine magnetische Anziehungskraft beginnt ab 80° Celsius an Stärke zu verlieren. Daher legieren Hersteller einige seltene Erden mit anderen Metallen, um widerstandsfähigere Magnete herzustellen, sagt Durga Paudyal, theoretische Physikerin am Ames National Laboratory in Iowa. Das funktioniert gut, weil einige seltene Erden die Magnetfelder anderer Metalle orchestrieren können, sagt er. So wie gewichtete Würfel bevorzugt auf einer Seite landen, weisen einige seltene Erden wie Neodym und Samarium in bestimmten Richtungen einen stärkeren Magnetismus auf, weil sie in ihren 4f-Unterschalen ungleichmäßig gefüllte Orbitale enthalten. Diese Richtungsabhängigkeit, magnetische Anisotropie genannt, kann genutzt werden, um die Felder anderer Metalle wie Eisen oder Kobalt zu koordinieren und so robuste, extrem leistungsstarke Magnete zu entwickeln.

Die stärksten Magnete aus Seltenerdlegierungen sind Neodym-Eisen-Bor-Magnete. Ein drei Kilogramm schwerer Magnet aus einer Neodymlegierung kann beispielsweise Gegenstände anheben, die über 300 Kilogramm wiegen. Mehr als 95 Prozent der weltweiten Permanentmagnete werden aus dieser Seltenerdlegierung hergestellt. Neodym-Eisen-Bor-Magnete erzeugen Vibrationen in Smartphones, erzeugen Geräusche in Ohrhörern und Kopfhörern, ermöglichen das Lesen und Schreiben von Daten auf Festplatten und erzeugen die Magnetfelder, die in MRT-Geräten verwendet werden. Und wenn man diesen Magneten etwas Dysprosium hinzufügt, kann die Hitzebeständigkeit der Legierung erhöht werden, was sie zu einer guten Wahl für die Rotoren macht, die sich in den heißen Innenräumen vieler Elektrofahrzeugmotoren drehen.

Samarium-Kobalt-Magnete, die in den 1960er Jahren entwickelt wurden, waren die ersten beliebten Seltenerdmagnete. Samarium-Kobalt-Magnete sind zwar etwas schwächer als Neodym-Eisen-Bor-Magnete, weisen aber eine überlegene Hitze- und Korrosionsbeständigkeit auf und werden daher in Hochgeschwindigkeitsmotoren, Generatoren, Geschwindigkeitssensoren in Autos und Flugzeugen sowie in den beweglichen Teilen von eingesetzt einige wärmesuchende Raketen. Samarium-Kobalt-Magnete bilden auch das Herzstück der meisten Wanderfeldröhren, die Signale von Radarsystemen und Kommunikationssatelliten verstärken. Einige dieser Röhren übertragen Daten von der Raumsonde Voyager 1 – derzeit das am weitesten entfernte von Menschenhand geschaffene Objekt – über 23 Milliarden Kilometer entfernt (SN: 31.07.21, S. 18).

Da sie stark und zuverlässig sind, unterstützen Seltenerdmagnete umweltfreundliche Technologien. Sie stecken in Motoren, Antriebssträngen, Servolenkungen und vielen anderen Komponenten von Elektrofahrzeugen. Teslas Verwendung von Neodym-Legierungsmagneten in seinen Modell-3-Fahrzeugen mit der größten Reichweite hat Sorgen in der Lieferkette ausgelöst; China liefert den größten Teil des weltweiten Neodyms (SN: 11.01.23).

Seltenerdmagnete werden auch in vielen Offshore-Windkraftanlagen als Ersatz für Getriebe eingesetzt, was die Effizienz steigert und den Wartungsaufwand verringert. Im August stellten chinesische Ingenieure „Rainbow“ vor, die weltweit erste Magnetschwebebahn, die auf Seltenerdmagneten basiert und es den Zügen ermöglicht, zu schweben, ohne Strom zu verbrauchen.

Seltene Erden könnten in Zukunft sogar das Quantencomputing voranbringen. Während herkömmliche Computer binäre Bits (die Einsen und Nullen) verwenden, verwenden Quantencomputer Qubits, die zwei Zustände gleichzeitig einnehmen können. Wie sich herausstellte, seien Kristalle, die Seltene Erden enthalten, gute Qubits, da die abgeschirmten f-Elektronen Quanteninformationen über lange Zeiträume speichern können, sagt Zhong. Eines Tages könnten Informatiker sogar die Lumineszenzeigenschaften seltener Erden in Qubits nutzen, um Informationen zwischen Quantencomputern auszutauschen und ein Quanteninternet ins Leben zu rufen, sagt er.

Es ist möglicherweise noch zu früh, um genau vorherzusagen, wie die Seltenerdmetalle weiterhin den Ausbau dieser wachsenden Technologien beeinflussen werden. Aber man kann wohl mit Sicherheit sagen: Wir werden mehr Seltene Erden brauchen.

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Eine Version dieses Artikels erscheint in der Science News-Ausgabe vom 14. Januar 2023.

H. Brunckova et al. Lumineszenzeigenschaften von Neodym-, Samarium- und Europiumniobat- und -tantalat-Dünnfilmen. Lumineszenz. Bd. 37, April 2022, S. 642. doi: 10.1002/bio.4205.

V. Balaram. Seltenerdelemente: Ein Überblick über Anwendungen, Vorkommen, Exploration, Analyse, Recycling und Umweltauswirkungen. Geowissenschaftliche Grenzen. Bd. 10, Juli 2019, S. 1285. doi: 10.1016/j.gsf.2018.12.005.

LU Khan und ZU Khan. Seltenerdlumineszenz: Elektronische Spektroskopie und Anwendungen. Handbuch zur Materialcharakterisierung. Springer, Cham. 19. September 2018. doi: 10.1007/978-3-319-92955-2_10.

K. Binnemans et al. Seltene Erden und das Gleichgewichtsproblem: Wie geht man mit sich verändernden Märkten um? Zeitschrift für nachhaltige Metallurgie. Bd. 4, 9. Februar 2018, S. 126. doi: 10.1007/s40831-018-0162-8.

R. Skomski und DJ Sellmyer. Anisotropie von Seltenerdmagneten. Zeitschrift für Seltene Erden. Bd. 27. August 2009, S. 675. doi: 10.1016/S1002-0721(08)60314-2.

JF Suyver und A. Meijerink. Europium schützt den Euro. Chemisch2Weekblad. Bd. 98-4, 16. Februar 2002, S. 12.

Nikk Ogasa ist ein festangestellter Autor, der sich bei Science News auf die Naturwissenschaften konzentriert. Er hat einen Master-Abschluss in Geologie von der McGill University und einen Master-Abschluss in Wissenschaftskommunikation von der University of California, Santa Cruz.

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