Laser sichern rare Rohstoffe


Laser entlötet berührungsloses Platinen-Bauelemente

Laser spielen im Recycling hochwertiger Metalllegierungen eine wichtige Rolle. Nun arbeiten Forscher an neuen Verfahren, um auch Seltene Erden zu sichern.

Zukunftstechnik braucht Seltene Erden. Die Nachfrage nach Scandium, Yttrium, Lanthan und weiteren 14 Elementen dieser Gruppe wächst. Da zusätzlicher Bedarf aus Elektromobilität, Leichtbau, dem 3D-Druck und der Photonik vorprogrammiert ist, rechnen Marktbeobachter in den nächsten Jahrzehnten mit sprunghaft steigender Nachfrage. Versorgungsengpässe und steigende Preise drohen.

Europa verfügt über keine größeren Vorkommen der Hightech-Metalle. Um nicht gänzlich auf Importe angewiesen zu bleiben, suchen Forscher Recyclinglösungen und innovative Verfahren zur Gewinnung Seltener Erden aus Reststoffen. Photonik spielt in ihrer Forschung eine zentrale Rolle.

Hochwertig recyceln mit LIBS

Laser sichern schon heute die sortenreine Trennung von Kunststoffen und Metallen. Etwa in der Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS): Für Sekundenbruchteile erhitzen starke Laserpulse Metalle auf einige 10.000°C. Es bildet sich lichtemittierendes Plasma, dessen spektroskopische Analyse klare Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung zulässt. Imaging-Systeme verfolgen die analysierten Metallteile und sichern deren automatisierte Sortierung. Was Fraunhofer ILT, InnoLas Laser, Raylase und Partner 2008 im Projekt LASMET begannen, ist heute im industriellen Einsatz. Modernste LIBS-Systeme analysieren bei Bandgeschwindigkeiten von bis zu fünf Metern pro Sekunde 6.000 Objekte pro Minute und sortieren auch millimeterklein gehäckselten Metallschrott.

Diese verlässlich sortenreine Trennung erlaubt es, hochwertige Aluminium-, Titan-, Magnesium- oder Nickellegierungen ohne Wert- und Qualitätsverluste wiederzuverwenden. Mittlerweile übertragen die ILT-Forscher das LIBS-Verfahren auf die Rückgewinnung Seltener Erden aus Elektroschrott. Im EU-Förderprojekt „ADIR“ setzen sie mit neun Forschungs- und Industriepartnern aus Polen, Frankreich, Italien, Österreich und Deutschland eine Prozesskette auf, die Smartphones und Computerplatinen sortenrein zerlegen soll. Zeigt die Laserspektroskopie typische Spektren kostbarer Rohstoffe, dann werden die betreffenden Bauelemente per Laser entlötet und entnommen. In einer Pilotanlage wird das Konsortium den Prozess optimieren und an raue industrielle Randbedingungen anpassen. Die Ertragsaussichten sind gut: Seltene Erden kommen in Elektronik-Hardware sehr viel konzentrierter vor, als in der Natur.

Scandium aus Griechenland

Die geringe natürliche Konzentration ist auch bei Scandium ein Kostentreiber. Aktuell schwanken die Kilopreise zwischen 1.500 und 3.000 US-Dollar; Anfang dieses Jahrzehnts waren es teils über 15.000 Dollar. Das Metall ist für Brennstoffzellen, Spezialoptiken und als Leichtbau-Enabler in der Luft- und Raumfahrt gefragt. Letzteres vor allem, weil Scandium in Aluminiumlegierungen zu deutlich höherer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit beiträgt und Verarbeitung erleichtert. In Verbindung mit 3D-Printing gelten diese Legierungen als Schlüssel zu effizientem Leichtbau. Die steigende Nachfrage aus Optik und 3D-Druck ruft Materialspezialisten wie II-VI Incorporated auf den Plan. Als Teil eines breit angelegten Konsortiums treibt das Unternehmen aktuell im EU-Projekt SCALE neue Verfahren zur Scandium-Gewinnung aus Reststoffen der Aluminium- und Titanoxid-Produktion voran.

II-VI steuert einen neuen Prozess bei, der die Kosten der Scandium-Gewinnung gegenüber bisherigen metallurgischen Verfahren halbieren soll. Bei der patentierten Selective Ion Recovery (SIR) handelt es sich um einen fortlaufenden Prozess, in dem das Scandium an chemisch modifiziertem Polymer-Harz anlagert und mit einem Abbeizmittel gelöst wird. Harz und Beize sind danach wiederverwendbar. Im Labor hat II-VI gezeigt, dass der Prozess selbst dann funktioniert, wenn die Scandium-Konzentration in flüssigen Resten der Aluminium-Produktion in einstelligen PPM-(Parts per Million)-Bereichen liegt. Auf dieser Basis realisiert das SCALE-Konsortium nun eine Pilotanlage in Griechenland. Sie wird im SIR-Prozess Schlämme verarbeiten, die 80 bis 130 mg Scandium pro Kilogramm enthalten. Photonik spielt im selektiven Ionen-Prozess keine Rolle. Und doch geht es laut II-VI nicht ohne: Der Scandium-Nachweis erfolgt per Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry (ICP-OES).

 
 
 
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