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Mittwoch, 17. Januar 2018

Rohstoffe

Raps, Glück auf!

Von Oliver Ristau | 11. September 2015 | Ausgabe 37

Heimische Energiepflanzen wie Mais und Raps dienen heute als Grundlage für Biokraftstoffe und Ökostrom. Künftig könnten sie auch noch wertvolle Metalle wie Germanium und seltene Erden liefern.

BU Phytomining
Foto: Oliver Ristau

Bergbau mit Ackerpflanzen: Der Geoökologe Oliver Wiche von der TU Freiberg untersucht, welche Gewächse am meisten Metall anreichern.

Oliver Wiche kniet auf einem Feld zwischen Sonnenblumen, Hirse und Mais und zupft Unkraut; kein fremder Organismus soll die Pflanzen beim Wachsen stören. Wiche ist Doktorand an der TU Freiberg und an den Pflanzen nur indirekt interessiert. Eigentlich geht es ihm um Metall. Zusammen mit Studenten will der Geoökologe Germanium ernten, und die Pflanzen sollen dabei helfen.

Was verrückt klingt, heißt in der Fachsprache Phytomining. Die Idee von der Pflanze als Bergmann kann einmal eine wichtige Rohstoffquelle werden, denn die Gewächse reichern Metalle wie Germanium oder Seltene Erden in Stängeln, Wurzeln und Blättern an. „Sie verwechseln sie mit Nährstoffen“, erklärt Wiche.

Germanium beispielsweise ist chemisch eng verwandt mit Silizium, das Stängeln Halt gibt. Die seltenen Erden oder Lanthanoide ähneln dem Kalzium. Gelänge es, sie zu extrahieren, wären Rohstoffknappheiten Geschichte.

Die Elektronikmetalle sind ökonomisch hoch interessant. Germanium gilt als Rohstoff für superschnelle Computerchips der Zukunft, wird für optische Fasern und Halbleiter verwendet. Seltene Erden finden sich in Leuchtmitteln, Permanentmagneten, Legierungen und dienen als Katalysatoren für viele industrielle Prozesse. Bisher kommen diese Zukunftsrohstoffe vor allem aus China, wo sie über den klassischen Bergbau aus der Erde gebrochen werden.

Geologisch gibt es für diese Dominanz keinen Grund. Sowohl Germanium als auch Lanthanoide „haben sich bei der Entstehung der Erde relativ gleichmäßig verteilt“, sagt Wiche. Deutschland und speziell das Erzgebirge haben sogar überdurchschnittlich viel davon abbekommen. „Wir finden mit 3 mg/kg Erde in Sachsen eine doppelt so hohe Konzentration von Germanium in den Oberböden vor als im weltweiten Durchschnitt“, erklärt der Forscher. Bei dem Seltenerdelement Neodym, das in Hochleistungsmagneten für Windkraftanlagen gefragt ist, seien es sogar mehr als 20 mg.

Um die fleißigsten Phytominer zu finden, haben Wiche und Kollegen in einem vom Bun- desforschungsministerium mit 1,2 Mio. € finanzierten Projekt einen 1000 km2 großen Versuchsacker angelegt, auf dem 30 einheimische Acker- und Energiepflanzen wachsen. Drei Mal haben die Wissenschaftler bisher geerntet und herausgefunden, dass vor allem Schilf und Hirse hungrig nach Germanium sind. Bei seltenen Erden lagen Energiegräser wie Miscanthus und Sonnenblumen vorn. Schilf brachte es auf 4 mg Germanium pro Kilogramm Pflanzentrockenmasse und Quadratmeter. Mais erreichte noch gut 2 mg, Raps etwa 1 mg. Bei einem Hektar kämen so 20 g bis 40 g zusammen.

Vergleichbar mit dem klassischen Bergbau sind diese Konzentrationen nicht. In einem Kilo Zinkerz sind 200 mg Germanium zu finden. Eine Pflanzenkultur ausschließlich zur Rohstoffgewinnung würde sich gegenüber einem Bergwerk nicht rechnen, räumt Wiche ein. „Die Rohstoffe müssten ein zusätzlicher Schritt sein, etwa bei der Verwertung von Energiepflanzen.“

So wie Mais, das bereits in den Biogasanlagen zur Strom- und Wärmeproduktion genutzt wird. Übrig bleiben Gärreste, aus denen sich die Metalle extrahieren lassen. Auch aus der Asche verbrannter Biomasse können sie gewonnen werden.

In Deutschland werden Biogaspflanzen auf 1,2 Mio. ha angebaut, vor allem Mais. Nach Hochrechnungen der Freiberger Wissenschaftler ließen sich daraus rund 25 t Germanium gewinnen – 15 % der Weltförderung. Die Deutsche Rohstoffagentur gibt den Preis für Germanium derzeit mit 1200 € je Kilogramm an. So könnten die Energiepflanzen einen Ertrag von 30 Mio. € aus den Böden ziehen.

Bleibt nur noch, die begehrten Metalle aus den Gewächsen zu isolieren. Die Kollegen vom Institut für Technische Chemie haben dafür ein Extraktionsverfahren entwickelt. Zunächst würden die Gärreste aus den Biogasanlagen mit Alkohol versetzt, erklärt Institutsleiter Martin Bertau. Das üblicherweise positiv geladene Metall verliert seine Ladung. „Der Germaniumkomplex trennt sich vom Wasser wie Fettaugen von der Suppe.“ Anschließend werde der durch die Zugabe von Wasser und Salzen angereichert. Schließlich liegt Germaniumtetrachlorid vor, wie es auch für die Beschichtung optischer Leiter verwendet wird. „Das Verfahren ist im Großmaßstab prinzipiell wirtschaftlich“, sagt der Chemieprofessor.

Noch hapert es allerdings an der Überführung in die Praxis. Zum einen bieten die aktuell niedrigen Rohstoffpreise Investoren wenig Anreiz, mit Phytomining Neuland zu betreten. Zum anderen ist der logistische Aufwand groß. In Deutschland gibt es rund 8000 Biogasanlagen, die weit über das Land verteilt stehen und die ihre Gärreste meist lokal als Dünger auf die Äcker geben. Damit „grünes Mining“ Wirklichkeit werden kann, müssten diese Rohstoffe zentral gesammelt werden.

Ließe sich die Menge der begehrten Metalle in den Pflanzen erhöhen, würden die Anreize steigen. Wiche will die Pflanzen deshalb dazu bringen, „nicht nur zwei, sondern 6 mg bis 10 mg Germanium oder Seltene Erden zu akkumulieren“.

Erste Erfolge in diese Richtung hatte er bereits. In Freilandversuchen pflanzte er Mischkulturen wie Hafer und Lupinen. Letztere geben über ihre Wurzeln Säure in den Boden ab. Diese lösen Metalle, die sonst im Boden mit Silikaten fest verbunden sind. Damit steigt das Angebot an frei verfügbaren Wertstoffen an, die die Pflanzen „absaugen“ können.

In ersten Versuchen erreichten die Forscher bereits eine Verdoppelung der Metallkonzentrationen in den Pflanzen. Nun geht es darum, die besten Mischkulturen zu ermitteln. Denn auch für die Gewächse gelte: Nicht Jedes kann mit Jedem.

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