Sicherer Zugang zu Gallium und Germanium

Germanium und Gallium sind zwei Metalle, die für moderne Hoch­technologien von großer Bedeutung sind. Beide sind wichtige Rohstoffe für die Halb­leiter­industrie, für Glasfaser­kabel und für die Photo­voltaik. Sie sind damit essentielle Komponenten für die Gestaltung der Elektro­mobilität und Energiewende. Mit neuen Analyse­methoden hat die Arbeits­gruppe „CritMET: Critical Metals for Enabling Technologies“ um Michael Bau, Professor für Geochemie an der Bremer Jacobs University, die Verteilung von Germanium und Gallium in Eisen-Mangan-Krusten der Tiefsee untersucht.

Im Jahr 2020 stammten 66 Prozent der weltweiten Germanium­produktion aus China; für Gallium ist die chinesische Markt­beherrschung mit 97 Prozent noch größer. Aufgrund dieser Abhängigkeit und der damit verbundenen Risiken für die Rohstoffversorgung haben sowohl die US-amerikanische Regierung als auch die Europäische Union diese Metalle in ihre Listen der kritischen Rohstoffe aufgenommen. Mit großem Aufwand wird weltweit nach Lagerstätten gesucht, zumal die Nachfrage nach diesen Metallen in den nächsten Jahren dramatisch zunehmen wird. Doch die Rohstoff­suche gestaltet sich schwierig, und so rücken auch unkonventionelle Vorkommen ins Scheinwerferlicht.

Eine Möglichkeit, die weltweite Versorgung mit kritischen Rohstoffen zu sichern, könnte der Tiefseebergbau sein. Zwar ist er einerseits wegen seiner unklaren Auswirkungen auf die Umwelt umstritten, andererseits könnte er eine Vielzahl an Metallen liefern, ohne die etwa klima­politische Ziele wie die Energie­wende nicht realisierbar sind. Recycling ist für kritische Rohstoffe in absehbarer Zeit noch keine Lösung, da diese Metalle bisher noch nicht in größeren Mengen genutzt wurden.

Die Arbeitsgruppe „CritMET: Critical Metals for Enabling Technologies”, die an der Jacobs University im Studienprogramm „Earth and Environmental Science and Technology“ angesiedelt ist, untersucht sowohl potentielle Rohstoffquellen als auch das Umweltverhalten kritischer Rohstoffe wie der seltenen Erden, Germanium und Gallium. Die jetzt veröffentlichten Artikel fassen die Forschungs­ergebnisse der Gruppe um Katharina Schier und David Ernst, den Professoren Michael Bau und Dieter Garbe-Schönberg sowie nationalen und internationalen Kooperations­partnern zusammen.

Die untersuchten Eisen-Mangan-Krusten bilden sich sehr langsam am Meeresboden der Tiefsee. Dabei fangen sie eine Vielzahl im Meerwasser gelöster Metalle ein und reichern diese an. Mit neuen Analysemethoden gelang es der Arbeitsgruppe, die Konzentrationen von Gallium und Germanium in solchen Krusten verlässlich zu bestimmen. Die Ergebnisse sind für die geochemische Grundlagenforschung von großer Bedeutung, denn sie helfen den Transport von Metallen vom Festland in die Ozeane besser zu verstehen.

Für die angewandte Forschung sind sie allerdings eher ernüchternd: Die Gehalte an Gallium und Germanium sind zu niedrig, um die Krusten in absehbarer Zeit zu einer Rohstoffquelle für diese Metalle zu machen. Aber die Ergebnisse haben auch eine positive Seite, denn die Forscher konnten zeigen, wie effektiv Gallium und Germanium an Eisenoxide angelagert werden und dass sie damit effektiv aus dem Wasser und somit aus der Umwelt entfernt werden können. Da alle kritischen Metalle durch die dramatisch steigende Verwendung in immer größeren Mengen in die Umwelt und damit in Flüsse, Seen und ins Grundwasser gelangen, werden Verfahren, mit denen dies verhindert oder das Wasser wieder gereinigt werden kann, immer wichtiger. Der Einsatz von Eisenoxiden könnte hier für Germanium und Gallium eine einfache und relativ preiswerte Lösung sein.

Jacobs U. Bremen / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. M. Ernst et al.: Fractionation of germanium and silicon during scavenging from seawater by marine Fe (oxy)hydroxides: Evidence from hydrogenetic ferromanganese crusts and nodules, Chem. Geol. 595, 120791 (2022); DOI: 10.1016/j.chemgeo.2022.120791
• Michael Bau an der Jacobs University, Bremen