US-Forscher nutzen Biologie zur Rückgewinnung von Seltenerdmetallen

Die Rückgewinnung von Seltenerdmetallen aus Industrieabfällen ist ein drängendes Problem – sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich. Ein Forschungsteam des Worcester Polytechnic Institute (WPI) in Massachusetts hat nun 3,3 Millionen US-Dollar von der National Science Foundation erhalten, um einen völlig neuen Ansatz zu verfolgen: Die Wissenschaftler wollen biologische Prozesse aus der Natur nutzen, um wertvolle Rohstoffe aus Kohleasche, Rotschlamm und Bergbauhalden zu gewinnen.

Das fünfjährige Projekt wird von Mingjiang Tao, außerordentlicher Professor am Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering der WPI, geleitet. Die Professoren Carrick Eggleston und Yan Wang fungieren als Co-Hauptuntersuchende. Beteiligt sind zudem Forscher der George Mason University, der University of California San Diego, der University of Massachusetts Amherst und der University at Buffalo. Die Förderung stammt aus dem Programm „Growing Convergence Research“ der National Science Foundation.

Im Kern geht es um zwei miteinander verknüpfte Herausforderungen: Die Herstellung siliziumbasierter Materialien für Beton, Glas, Keramik, Halbleiter und Silikone erfordert derzeit hohe Temperaturen, erheblichen Energieeinsatz und aggressive chemische Verarbeitung. Gleichzeitig produzieren Industrien enorme Mengen siliziumreicher Abfälle – darunter Kohleasche, Rotschlamm, Bergbauhalden, Betonabfälle, Altglas und metallurgische Schlacken. Diese Abfälle landen meist auf Deponien, in Teichen oder Auffangbecken, obwohl sie wertvolles Silizium, kritische Mineralien und Seltene-Erden-Elemente (REEs) enthalten.

Milliardenschwere Ressourcen im Abfall

Die Dimensionen sind beeindruckend: Allein in US-amerikanischen Kohleasche-Deponien sind schätzungsweise 11 Millionen Tonnen Seltenerdmetalle gebunden – mit einem Wert von 8,4 Milliarden US-Dollar. Das ist fast das Achtfache der aktuellen heimischen Rohstoffreserven der USA. Diese Materialien sind für Elektronik, saubere Energietechnologien, den Transportsektor und die nationale Sicherheit unverzichtbar.

„Die Rückgewinnung kritischer Mineralien ist nur ein Teil des Potenzials“, erklärt Projektleiter Tao. „Wir wollen ein Verfahren entwickeln, das möglichst viel jedes einzelnen Abfallstroms nutzt, strategisch wichtige Elemente trennt und das verbleibende Material in nutzbare Produkte umwandelt. Dieser ganzheitliche Ansatz könnte grundlegend verändern, wie Industrien mit Abfällen umgehen und essentielle Ressourcen beschaffen.“

Die Natur als Vorbild

Die Forscher suchen nach Lösungen in der Natur. Kieselalgen, Meeresschwämme und bestimmte Pflanzen nutzen biologische Moleküle und organische Gerüste, um gelöste Formen von Silizium einzufangen und unter relativ milden Bedingungen zu komplexen Siliziumdioxid-Strukturen zusammenzufügen. Das Team will diese Mechanismen anpassen, um energieärmere Methoden zu entwickeln, die siliziumdioxidreiche Komponenten industrieller Abfälle abbauen, das Siliziumdioxid in nutzbare Materialien umwandeln und die eingeschlossenen REEs sowie andere kritische Mineralien freisetzen.

Das Projekt vereint Expertise aus Biologie, Geochemie, Materialwissenschaft, Metallurgie, Ingenieurwesen, computergestützter Chemie und künstlicher Intelligenz. Die Forscher werden fortschrittliche computergestützte Modellierungen und KI einsetzen, um spezialisierte Biomoleküle zu entwerfen, deren Interaktion mit siliziumreichen Abfällen vorherzusagen und vielversprechende Wege für die Mineralrückgewinnung zu identifizieren.

Drei Säulen der Forschung

Tao wird als leitender Hauptuntersuchender das Management und die Koordination des Projekts übernehmen sowie die Forschung zur Biosilikifizierung – dem Prozess, durch den Organismen Siliziummaterialien bilden – und zur biovermittelten Metallurgie zur Rückgewinnung von REEs leiten. Eggleston bringt seine Expertise in Geochemie ein und wird die chemischen Reaktionen beim Abbau und Wiederaufbau von Silikatmaterialien optimieren. Seine Arbeit befasst sich mit den Pfaden und Reaktionsgeschwindigkeiten der Silikatlösung, Repolymerisation, Karbonatisierung, Glasbildung und Silikon-Synthese.

Yan Wang, ein weithin anerkannter Pionier im Bereich Batterierecycling und nachhaltige Fertigung, wird die Entwicklung bioingenieurtechnischer Prozesse zur Rückgewinnung von REEs und anderen kritischen Mineralien leiten. Das Team wird zudem die wirtschaftliche und praktische Machbarkeit der Skalierung der Technologien für industrielle Anwendungen bewerten.

Potenzial für die Rohstoffversorgung

Bei Erfolg könnte die Forschung neue Wege eröffnen, um große Volumina industrieller Abfälle in marktfähige Produkte umzuwandeln. Dies würde die Abhängigkeit von neu abgebauten Ressourcen verringern, den ökologischen Fußabdruck der Materialproduktion senken und die heimischen Lieferketten für kritische Mineralien und REEs stärken. Das Projekt zielt auch darauf ab, ein breiteres bioingenieurtechnisches Ökosystem auf Siliziumbasis zu fördern, indem es Forscher, Industriepartner, politische Entscheidungsträger, Bildungseinrichtungen und zukünftige Innovatoren über Disziplinen und Sektoren hinweg vernetzt.

Für deutsche Anleger ist das Projekt von Interesse, da die europäische Industrie ebenfalls stark von Importen kritischer Rohstoffe abhängig ist. Sollte sich das Verfahren als skalierbar erweisen, könnte es langfristig die globale Rohstofflandschaft verändern und neue Investitionsmöglichkeiten im Bereich nachhaltiger Ressourcengewinnung eröffnen.