Hochtechnologie-Metalle Germanium und Gallium aus der Tiefsee?

Forschung am Rohstoff-Dilemma:

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 Dr. Michael Bau, Professor für Geochemie an der Bremer Jacobs University, die Verteilung von Germanium und Gallium in Eisen-Mangan-Krusten der Tiefsee untersucht. Die Ergebnisse wurden jetzt in zwei renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht.

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 den 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 Forschenden 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.

Über die Jacobs University Bremen:
In einer internationalen Gemeinschaft studieren. Sich für verantwortungsvolle Aufgaben in einer digitalisierten und globalisierten Gesellschaft qualifizieren. Über Fächer- und Ländergrenzen hinweg lernen, forschen und lehren. Mit innovativen Lösungen und Weiterbildungsprogrammen Menschen und Märkte stärken. Für all das steht die Jacobs University Bremen. 2001 als private, englischsprachige Campus-Universität gegründet, erzielt sie immer wieder Spitzenergebnisse in nationalen und internationalen Hochschulrankings. Ihre mehr als 1.600 Studierenden stammen aus mehr als 110 Ländern, rund 80 Prozent sind für ihr Studium nach Deutschland gezogen. Forschungsprojekte der Jacobs University werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft oder aus dem Rahmenprogramm für Forschung und Innovation der Europäischen Union ebenso gefördert wie von global führenden Unternehmen.

Für weitere Informationen: www.jacobs-university.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Michael Bau
Professor of Geosciences
Tel: +49 421 200-3564
Email: m.bau@jacobs-university.de

Originalpublikation:

Schier, K., Ernst, D.M., Moreno Cordeiro de Sousa, I., Garbe-Schönberg, D.,Kuhn, T., Hein, J.R., Bau, M. 2021. Gallium-aluminum systematics of marine hydrogenetic ferromanganese crusts: Inter-oceanic differences and fractionation during scavenging. Geochimica et Cosmochimica Acta 310, 187–204.
https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.05.019

Ernst, D.M., Schier, K., Garbe-Schönberg, D., Bau, M., 2022. Fractionation of germanium and silicon during scavenging from seawater by marine Fe (oxy)hydroxides: Evidence from hydrogenetic ferromanganese crusts and nodules. Chemical Geology 595, 120791 https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.120791