Unwiederbringliche Schätze

Schlüsselelemente des technologischen Fortschritts werden knapp

Eine Reihe von seltenen chemischen Elementen, vor allem Metallen, sind für moderne technologische Anwendungen fast unverzichtbar. Diese Stoffe werden zwar in nur sehr geringen Mengen verwendet, doch die Stückzahlen der diese Elemente enthaltenen Produkte steigen rasant. Damit entsteht nicht nur ein Druck auf die Lagerstätten dieser Substanzen, sie werden zudem global derart fein verteilt, dass sie nicht mehr rezykliert werden können. Dies ist ein bisher zu wenig stark beachtetes Problem insbesondere für stark forcierte künftige Technologieanwendungen wie Umwelttechnik und Nanotechnologie, weil diese ebenfalls solche Elemente benötigen. Das Konzept der Stoffgeschichte hilft, dieses Problem genauer zu verstehen.

Hätten Sie vor gut drei Jahren einen Teil Ihres Vermögens in den Kauf von Indium investiert, wäre dieses Kapital heute fast zwanzig Mal mehr wert. Der Preis dieses seltenen Elements mit einer Reihe interessanter Eigenschaften stieg in diesem Zeitraum von etwa 60 Dollar pro Kilogramm auf jetzt über 1000 Dollar. Indium ist wohl das erste Element, das nach den Angaben des U.S. Geological Survey (USGS) , welches regelmässig Statistiken über den weltweiten Bedarf strategischer Elemente führt, weltweit zur Neige gehen wird. Gemäss den aktuellen Extrapolationen dürfte dies in der ersten Hälfte des kommenden Jahrzehnts passieren – also in weniger als zehn Jahren. Die weltweiten Lagerstätten von Indium werden auf insgesamt nur noch rund 2400 Tonnen geschätzt – fast die Hälfte davon entfallen auf Kanada. Die weltweite Produktionskapazität beträgt gut 300 Tonnen – ein Drittel davon steht in China. In Japan, mit rund 70 Tonnen pro Jahr der zweitgrösste Indiumproduzent, wird im kommenden Jahr Nippon Mining die erschöpfte Tohoya Mine schliessen, was die Produktionskapazität des Landes fast halbiert. Der geschätzte Verbrauch von Indium für das Jahr 2005 beträgt rund 850 Tonnen – also fast das dreifache der Weltjahresproduktion. Dies macht die rasante Preisentwicklung einsichtig.

Doch was ist der Grund für diese hohe Nachfrage nach Indium? Er steht in den Büros der Industriegesellschaft und klingelt in den Taschen des modernen Menschen. In Form von Indium-Zinn-Oxyd stellt das Element derzeit einen zentralen Bestandteil von Flüssigkristalldisplays (liquid crystal display, LCD) und Flachbildschirmen dar. Zudem findet es sich in elektronischen Bestandteilen insbesondere für Telekommunikationsanwendungen. Die dafür benötigte Menge Indium pro Stück ist zwar gering: bei Kleingeräten wie Handys sind es wenige Mikrogramm, bei grossen Flachbildschirmen bis zu einem Gramm. Da aber Flachbildschirme wie Handys in immer grösseren Stückzahlen produziert werden, entfallen derzeit mehr als 80 Prozent des weltweiten Indium-Bedarfs auf Anwendungen in der Bildschirmtechnik und Elektronik.

Die Stoffflüsse und die damit verbundenen Verluste seltener Elemente werden von einer Forschungsgruppe unter Armin Reller am Environmental Science Center der Universität Augsburg untersucht. Eine Studie zur Indium-Problematik von Thomas Bublies beziffert die Zahl der derzeit weltweit produzierten Einheiten (Handys, Bildschirme etc.), die Indium enthalten, auf rund eine Milliarde pro Jahr. Dies macht das Ausmass der Feinverteilung dieses Stoffes deutlich. Zwar laufen angesichts der prekären Rohstoffsituation grosse Forschungsanstrengungen für den Ersatz von Indium, vorab in Flachbildschirmen. Die bisher erzielten Alternativen sind aber den gängigen Lösungen hinsichtlich Produkteigenschaften und Produktionseffizient unterlegen. Recycling von Indium ist zwar bis zu einem gewissen Grad möglich, wird aber in den Hauptkonsumräumen wie den USA und Europa bisher kaum umgesetzt. Lediglich Japan unterhält ein umfassendes Recycling-Programm und kann damit immerhin gut die Hälfte des abgesetzten Indiums wieder zurückgewinnen. Der Rest aber geht aufgrund der feinen Verteilung des Elements in unzähligen technischen Anwendungen unwiederbringlich verloren. Dies hat Konsequenzen auch für künftige technologische Anwendungen. So benötigen beispielsweise CIS-Solarzellen (CIS steht für Copper-Indium-Diselenid) ebenfalls Indium. Diese Dünnschicht-Solarzellen wurden ursprünglich entwickelt, weil sie weniger Ressourcen als die klassischen Solarzellen mit dotiertem Silizium benötigen – nun aber wird ein Schlüsselelement dieser Technologie derart teuer und knapp, dass ihr zukünftiger kostengünstiger Einsatz in Frage gestellt wird.

Die Platin-Verluste

Die Indium-Geschichte ist das wohl aktuellste Beispiel eines Problems, dessen Bedeutung für die moderne Technologieentwicklung erst langsam erkannt wird. Die klassische Ressourcendiskussion – eingeleitet 1972 mit dem Club of Rome-Bericht „Die Grenzen des Wachstums“ – fokussierte Stoffe, die in grossen und immer steigenden Mengen eingesetzt werden. Das bekannteste Beispiel ist die Frage nach den Ölreserven. Seltene Elemente kamen in dieser Diskussion kaum vor. Man ging bei diesen Stoffen davon aus, dass sich aufgrund ihrer Seltenheit und den damit verbundenen hohen Preise automatisch grösstenteils geschlossene Stoffkreise ergeben würden, zumal ihr Einsatz nur in sehr speziellen Anwendungen (wie Speziallegierungen) und in sehr geringen Mengen erfolgt. Gerade der hohe Verdün¬nungsgrad, der sich durch die technologische Nutzung dieser Elemente ergibt, wird nun zum Problem, wenn diese seltenen Substanzen in Massenprodukten Anwendung finden. Da die moderne Forschung zudem immer neue interessante Eigenschaften dieser Elemente findet, werden diese zunehmend attraktiv. Hier öffnet sich eine Schere zwischen Verfügbarkeit und Bedarf, welche für die künftige Technologieentwicklung bedeutsam werden wird.

Platin mag hier als weiteres Beispiel dienen. Dieses im 17. Jahrhundert von spanischen Goldsuchern in Kolumbien entdecktes Metall hatte lange Zeit kaum eine industrielle Bedeutung. Dies änderte sich in den 1970er Jahren markant, als Platin zunehmend in Autoabgas-Katalysatoren Verwendung fand. Allein in den USA sind nach Angaben der USGS derzeit über 100 Tonnen Platin in Autokatalysatoren im Einsatz. Doch das Metall ist ebenfalls sehr selten und selbst im Erz von Platinminen nur stark verdünnt vorhanden. Um eine Unze (rund 30 Gramm) Platin zu gewinnen, müssen bis zu zehn Tonnen Erz aufbereitet werden. Zudem stammen 90 Prozent der Weltjahresproduktion von Platin (im Jahr 2004 waren dies knapp 220 Tonnen) aus lediglich vier Minen in Südafrika und Russland. Das Problem ist nun, dass ein Teil des sich in den Katalysatoren befindlichen Platins ausgetragen wird. Je nach Geschwindigkeit und Motorenleistung gelangen so zwischen 0.065 bis 2.0 Mikrogramm pro gefahrenem Kilometer in äusserst starker Verdünnung in die Umwelt. Nimmt man die durchschnittlich rund 11'000 Kilometer pro Jahr von jedem Schweizer per Auto zurückgelegte Strecke (so die Studie „Mobilität in der Schweiz 2000“ des Bundesamts für Energie) als Richtwert für die gesamte industrialisierte Welt (rund 1 Milliarde Menschen in Europa, Nordamerika und Japan), so bedeutet dies, dass mehrere Tonnen Platin in nanoskopischer Verteilung – und damit unwiederbringlich – allein durch den Verkehr verloren gehen. Platin wie auch andere Elemente der Platin-Gruppe (insbesondere Palladium) sind aber Schlüsselelemente in einer Reihe zukunftsträchtiger Technologien, insbesondere für Brennstoffzellen. Auch erste Anwendungen von nanostrukturiertem Platin werden erforscht. So entwickeln Wissenschaftler am Forschungszentrum Karlsruhe in Deutschland derzeit neuartige Materialien aus Platin, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung reversibel ausdehnen und zusammenziehen können und dereinst als eine Art „Metallmuskel“ in Miniaturrobotern und Kleinprothesen eingesetzt werden könnten. Wachsende Bedeutung gewinnen Platin-Verbindungen schliesslich in der Medizin. So wird beispielsweise so genanntes Cisplatin als Hemmstoff für Tumorwachstum eingesetzt. „Gerade in der pharmazeutischen Industrie besteht demnach ein grosses Interesse an der Verfügbarkeit von Platin“, so Reller.

Gewiss ist das Problem der Verfügbarkeit der Platingruppen-Metalle angesichts der auf rund 100'000 Tonnen geschätzten Weltvorräte nicht so gross wie bei Indium. Hingegen könnte ein weiter zunehmender Bedarf von Platin für Massenprodukte kombiniert mit dem unwiederbringlichen Verlust von Platin die Preise des Metalls weiter in die Höhe treiben, so das es für gewisse künftige Anwendungen schlicht zu teuer wird. Hinweise auf eine entsprechende Preisdynamik sind durchaus vorhanden: so stieg der Platin-Preis allein von 2002 bis 2004 um 57 Prozent auf 852 Dollar pro Unze. Dies widerspiegelt die Tatsache, dass seit Ende der 1990er Jahre die Nachfrage nach Platin das Angebot übersteigt. Am 12. Dezember findet in Den Haag eine Konferenz statt, bei welcher Vertreter von Minen und der Platin verbrauchenden Industrie Lösungen für dieses Problem suchen wollen.

Das Konzept der Stoffgeschichte

Diese beiden Beispiele machen deutlich, dass der Bedarf wie der Verlust seltener Schlüssel-elemente einer nur schwer abschätzbaren Dynamik unterliegen. Für das tiefere Verständnis dieser Prozesse haben die Forscher an der Universität Augsburg das Konzept der Stoffgeschichte entwickelt. Eines ihrer Ziele ist es, die meist auf Gefahrenstoffe und deren Management verengte Perspektive der Umweltwissenschaften zu erweitern. Ziel sollte es gemäss Armin Reller vielmehr sein, „eigentliche Biographien von Stoffen zu schreiben, um den Kontext der Entstehung und die Funktion eines Stoffes über politisch-kulturelle Szenenwechsel bis hin in die Gegenwart und - wenn möglich - in die Zukunft zu erkennen“. Das Beispiel Indium könne nicht allein als reines Problem des supply-chain-management begriffen werden, so Reller. Die kulturelle Bedeutung des Handys wie beispielsweise auch politische Gründe, warum in gewissen Staaten heute gar kein Telefon-Festnetz mehr entstehe, müssten ebenfalls Berücksichtigung finden, wolle man beispielsweise die Rückgewinnung seltener Schlüsselelemente planen. Die Forschungsgruppe entwickelt derzeit für eine Reihe von Stoffen so genannte Stofflandkarten, auf denen sich Herkunft, Verbreitung, Wirkformen und Effekte dieser Stoffe in Raum und Zeit verfolgen lassen.

In der Tat lassen sich eine Reihe weiterer seltener Elemente identifizieren, die eine ähnliche Geschichte wie Platin und Indium durchmachen könnten. Von grosser Bedeutung könnte in den kommenden Jahren das sehr seltene Element Gallium erhalten. Dieses Element kommt in sehr starker Verdünnung vor allem in Bauxit (Aluminiumoxid) vor und fällt als Nebenprodukt der Aluminiumgewinnung an. Die Weltprimärproduktion von Gallium wird auf unter 70 Tonnen pro Jahr geschätzt. Hingegen hat es vorab in China derzeit noch stillgelegte Produktionskapazitäten, so dass jährlich geschätzte 165 Tonnen produziert werden könnten. Diese Kapazitäten dürften bald hochgefahren werden, denn Gallium spielt bei der sich anbahnenden Revolution in der Beleuchtungstechnik eine zentrale Rolle. So werden aus Energiespargünden herkömmliche Glühbirnen immer mehr durch Leuchtdioden ersetzt, die zudem die Erzeugung von verschieden farbigem Licht erlauben. Bei all diesen Dioden sind Galliumverbindungen involviert. Zudem lassen sich mit Gallium effiziente Hochfrequenzbauteile bauen – beispielsweise für Anti-Kollosions-Radarsysteme in Fahrzeugen. Bereits jetzt wird in den USA über 80 Prozent des Galliums für Anwendungen im Bereich Optoelektronik und Schaltkreise verwendet. Die Massenproduktion entsprechender Bauteile erhöht auch hier das Risiko einer derart feinen Verteilung des seltenen Galliums, dass immer mehr von diesem Schlüsselelement unwiederbringlich verloren geht – man denke nur an die Möglichkeit, dass die heutigen Glühbirnen in Häusern und Fahrzeugen durch Leuchtdioden ersetzt werden könnten. Das Konzept der Stoffgeschichte kann hier helfen Probleme zu erkennen, die über das Interesse einer kurzfristigen Bereicherung an den Rohstoffmärkten hinausgehen.