Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/phytomining-wenn-die-metalle-fuer-technik-vom-acker-kommen-1709-129802.html    Veröffentlicht: 08.09.2017 12:00    Kurz-URL: https://glm.io/129802

Phytomining

Wenn die Metalle für Technik vom Acker kommen

Ob Germanium oder Metalle der Seltenen Erden: Sie sind begehrt für moderne technische Geräte und häufig im Boden zu finden. Forscher nutzen Pflanzen, um die Rohstoffe herauszuholen - doch sie müssen noch einige Hürden überwinden.

Telefone, Generatoren oder Elektromotoren, die auf dem Acker wachsen: Ganz so einfach ist die Sache nicht. Aber tatsächlich könnten wichtige Rohstoffe für elektronische Geräte, Solarzellen, Windkraftanlagen oder Elektroautos in Zukunft vom Feld kommen. Die Rohstoffe sollen geerntet werden. Doch die Forschung steht noch vor etlichen Herausforderungen.

Seit einigen Jahrzehnten nutzen Forscher Pflanzen, um Elemente aus dem Boden zu ziehen. Dabei ging es zunächst darum, mit Schadstoffen kontaminierte Böden zu reinigen - diese sogenannte Phytosanierung ist deutlich weniger aufwendig, als die Böden abzutragen und auszutauschen. Aber, so überlegten Wissenschaftler: Wenn sich Schadstoffe mit Pflanzen aus dem Boden holen lassen, warum dann nicht auch nützliche?

Phytomining beinhaltet Bergbau und Ökologie

Phytomining heißt diese Technik zur Gewinnung von Metallen mithilfe von Pflanzen, an der unter anderem Wissenschaftler der Technischen Universität Bergakademie Freiberg arbeiten. "Wir haben an der Bergakademie - der Name sagt es - mit Bergbau zu tun. Andererseits sind wir Ökologen", sagt Hermann Heilmeier, Leiter der Arbeitsgruppe Biologie/Ökologie an der Hochschule, im Gespräch mit Golem.de. Eine Kombination beider Bereiche habe da nahegelegen.

Die Idee: Statt die Rohstoffe in einer Mine abzubauen, also bergmännisch zu gewinnen, überlässt man die Arbeit den Pflanzen: Sie reichern die Rohstoffe in ihren Blättern und Sprossen an. Die Pflanzen werden geerntet und die Rohstoffe aus der Biomasse gewonnen. Derzeit arbeiten die Forscher bereits an ihrem zweiten Projekt auf dem Gebiet. Spezialisiert haben sie sich auf die Gewinnung von Germanium, da dieses Element 1886 an der Bergakademie entdeckt wurde, sowie auf einige Metalle der Seltenen Erden.

Metalle der Seltenen Erden sind nicht selten

Germanium oder die Seltenen Erden - die anders, als der Name nahelegt, gar nicht so selten sind - eigneten sich gut für das Phytomining, da sie überall vorkämen, sagt Heilmeiers Kollege Oliver Wiche Golem.de: Ein Kilogramm beliebigen Bodens enthalte etwa zwei Milligramm Germanium und 200 Milligramm Seltene Erden. Damit ist also auch Deutschland ein guter Fundort für die Elemente.

Allerdings: "Wenn ein Element sehr gleichmäßig überall im Boden drin ist, dann bilden sich wenig geklumpte Orte aus", sagt Wiche. Das bedeutet, eine bergmännische Gewinnung ist schwierig. Die Seltenen Erden etwa werden nur an wenigen Orten zum Beispiel in China und in den USA abgebaut. Germanium wird gar nicht abgebaut, sondern derzeit bei der Aufbereitung von Zinkerz oder aus der Asche von Steinkohle gewonnen.

Den Phytominern hingegen kommt die gleichmäßige Verteilung gerade recht: Sie können mit ihrer Methode problemlos große Flächen bearbeiten.

Hyperakkumulatoren lagern Metalle ein

Sie pflanzen, die Pflanzen wachsen, werden geerntet und dann verwertet - und zwar doppelt: Aus Wirtschaftlichkeitsgründen werden zum Phytomining Energiepflanzen verwendet, also Pflanzen, die viel Biomasse bilden. Das Pflanzenmaterial wird dann energetisch genutzt. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Die Pflanzenreste werden getrocknet und in großtechnischen Anlagen verbrannt oder zu Biogas vergoren.

Vorteil dieser Lösung: Durch die energetische Nutzung werden die Zellen aufgeschlossen, um an die darin eingelagerten Rohstoffe zu kommen. Aus den Gärresten oder der Asche gewinnen die Forscher dann Germanium, Neodym und Erbium.

Die Extraktion erwies sich als schwierig

Das habe sich allerdings als recht schwierig erwiesen, erzählt Heilmeier. "Wir haben gedacht, das Germanium liegt schon in verfügbarer Form in der Flüssigkeit vor. Aber es ist doch noch ziemlich stark an organische Substanz gebunden, und davon muss man es herunterbringen. Das erfordert einen deutlichen höheren Aufwand, als wir zu Beginn des Projekts gedacht haben."

In ihrem ersten Phytomining-Projekt Phytogerm beschäftigten sich Heilmeier und Wiche erst einmal mit der Frage, welche Pflanzen überhaupt Germanium aufnehmen. Hyperakkumulatoren heißen die Pflanzen, die in Böden mit hohen Konzentrationen von Metallen wachsen und diese über Wurzeln aufnehmen. Derzeit sind etwa 300 Arten bekannt, die meisten für die Speicherung von Nickel.

Mauer-Steinkraut nimmt Nickel auf

Wie etwa das Mauer-Steinkraut oder Alyssum murale. Es ist als Nutzpflanze kaum geeignet. Doch Bauern in Albanien machen inzwischen gute Geschäfte damit: In einer Region nahe dem Ohridsee sind die Böden von Natur aus so stark mit Schwermetallen belastet, dass sie landwirtschaftlich nicht genutzt werden können. Dort ernten die Bauern inzwischen das Mauer-Steinkraut, verbrennen es und verkaufen die Asche, die bis zu 20 Prozent aus Nickel besteht, für etwa 70 Euro die Tonne. Daraus werden dann Lacke und Farben hergestellt.

Weniger um die Ausbeute als vielmehr darum, Schadstoffe aus dem Boden zu bekommen, geht es Ute Krämer. Die Pflanzenphysiologin von der Ruhr-Universität Bochum experimentiert mit der Hallerschen Schaumkresse (Arabidopsis halleri). Ihr Ziel ist, mit Hilfe dieser Pflanze Böden von Schwermetallen wie Blei, Kadmium und Nickel zu säubern, damit darauf wieder Nutzpflanzen angebaut werden können. Andere Forscher untersuchen, wie sich Böden mit der Hilfe von Sonnenblumen, des Sachalin-Staudenknöterich oder des Baums Pycnandra acuminata, der auf der Pazifik-Inselgruppe Neukaledonien vorkommt, reinigen lassen.

Silizium macht Gräser ungenießbar

Den Freiberger Forschern hingegen geht es um Germanium. Also mussten sie zuerst herausfinden, welche Pflanzen dieses Halbmetall aufnehmen. Bei Versuchen im Gewächshaus und im Freiland zeigte sich, dass Gräser sich dafür eignen. Denen geht es allerdings gar nicht um Germanium.

Gräser lagern Silizium als Fressschutz ein: Dieses macht Spross und Blätter fest, weshalb sie für Pflanzenfresser nicht gut so genießbar sind wie etwa Kräuter. Der Nachteil ist, dass auch die Bakterien, die die Zellen der Gräser mit Enzymen aufschließen sollen, ihre Mühe damit haben. Das Germanium ist aber chemisch mit dem Silizium verwandt und wird deshalb von der Pflanze mit aufgenommen und eingelagert.

Als vielversprechend hat sich im Projekt Phytogerm das Rohrglanzgras erwiesen. Im Nachfolgeprojekt arbeiten die Freiberger Forscher damit weiter.

Mehr Germanium im Rohrglanzgras

Gleich zwei Ziele verfolgen die Forscher mit Phalaris II, benannt nach Phalaris arundinacea, dem botanischem Namen des Rohrglanzgrases: Sie wollen neben Germanium noch andere Elemente einbeziehen, und sie wollen die Elementanreicherung verstärken.

Phalaris ist ein dem Schilf ähnliches Gras, das in Skandinavien bereits häufig als Energiepflanze angebaut wird. Es wächst überall, mag aber vor allem Auen. "Wir wollen nicht die landwirtschaftlichen Flächen umbauen, um Germanium oder Seltene Erden rauszuziehen", sagt Heilmeier. "Uns geht es darum, die Nutzung für Flächen zu erweitern, die ohnehin für Energiepflanzen genutzt werden, weil sie sich eben für die Nahrungsmittelerzeugung weniger eignen, weil sie zu nass sind." Schließlich durchwurzelt die Pflanze den Boden sehr gut, ihre Wurzeln reichen bis zu zwei Meter tief.

Die Elementaufnahme soll durch Züchtung verbessert werden

Die Voraussetzungen sind also gut - das Ergebnis noch nicht: Der Ertrag liegt derzeit bei maximal drei Milligramm Germanium pro Kilogramm Biomasse. Das ist zu wenig, um Phytomining wirtschaftlich betreiben zu können. Mit klassischer Pflanzenzüchtung wollen die Wissenschaftler die Elementaufnahme steigern. Der Projektpartner Deutsche Saatgutveredelungs AG hat ihnen dafür 90 verschiedene Genotypen, also Sorten, von Rohrglanzgras zur Verfügung gestellt.

Zunächst suchen Wiche und seine Kollegen nach den Sorten, die am meisten Germanium und Seltene Erden aufnehmen. Diese werden wiederum gekreuzt, um das Merkmal Elementaufnahme zu verstärken. Schließlich gilt es herauszufinden, ob die Merkmale vererbbar sind. Die Ergebnisse sollen im kommenden Jahr vorliegen.

Rohstoffe sollen besser verfügbar sein

Um mehr Ertrag zu erzielen, arbeiten Forscher außerdem daran, das Germanium und die anderen Stoffen besser im Boden verfügbar zu machen. Die Verfügbarkeit im Boden bestimme, wie viel der Stoffe die Pflanze aufnehmen. Sie hänge wieder von chemischen Verbindungen ab, die im Boden vorkämen, sagt Heilmeier. "Wir versuchen, Bakterien, die im Boden leben, und Pflanzen so zu beeinflussen, dass sie viel von diesen Stoffen abgeben."

Ein solcher Stoff ist Zitronensäure: Sie löst die Verbindungen, die Germanium oder Seltene Erden enthalten, so dass diese Elemente leichter von den Wurzeln des Rohrglanzgrases aufgenommen werden können. Eine Pflanze, die Zitronensäure in den Boden abgibt, ist die Lupine.

Damit macht die Pflanze Phosphat im Boden verfügbar, das sie braucht, um Stickstoff aus der Luft zu binden - oder auch Germanium und Metalle der Seltenen Erden für Rohrglanzgras. "Wir hatten die Fähigkeit von Pflanzen, die Stoffe anzureichern, überschätzt und damit die Bedeutung dieser Zusatzstoffe und die Möglichkeit, Pflanzen zu nutzen, die diese Zusatzstoffe herstellen, erst später erkannt", sagt Heilmeier.

So hätten sie zwar schon Verbesserungen erzielt. Noch ist die Rohstoffgewinnung mit Hilfe von Pflanzen aber nicht konkurrenzfähig.

Phytomining wird konkurrenzfähig

Dass auf lange Sicht Phytomining ein wichtiges Verfahren für die Rohstoffgewinnung ist, ist kaum zweifelhaft. Der Bedarf an Germanium und an den Metallen der Seltenen Erden, mit denen sich die Freiberger beschäftigen, wird nicht geringer.

Germanium ist ein Halbleiter, wird also in der Elektronikindustrie benötigt. Das Element ist durchlässig für Infrarotlicht (IR) und wird deshalb in Nachtsichtgeräten oder Sensoren eingesetzt, die mit IR arbeiten, wie etwa Abstandssensoren für Autos. Schließlich wird Germanium als Katalysator bei der Herstellung durchsichtiger Kunststoffflaschen verwendet. Neodym wird mit Eisen und Bor legiert, um starke Permanentmagnete herzustellen. Es wird ebenso wie Erbium zudem beim Bau von Lasern eingesetzt.

Seltene Erden werden importiert

"Für die ganzen Technologien, die gerade boomen, brauchen wir viele von diesen Elementen. Wir haben aber keine einzige Lagerstätte dafür in Europa. Wir haben kaum Möglichkeiten, an diese Rohstoffe zu kommen", sagt Wiche. "Wir müssen immer importieren."

Die Seltenen Erden etwa kommen derzeit fast ausschließlich aus China - und die Regierung in Peking hat früher bereits die Ausfuhr beschränkt und damit den Preis in die Höhe getrieben. Germanium ist einer der wenigen Rohstoffe, dessen Preis in den vergangenen Jahren nicht zurückgegangen ist. "Deshalb sind wir selbstverständlich an alternativen Gewinnungsmöglichkeiten interessiert", sagt Wiche.

Die Freiberger prüften die Wirtschaftlichkeit

Noch sei das Phytomining nicht konkurrenzfähig gegenüber den bewährten Gewinnungsverfahren. Das habe eine Wirtschaftlichkeitsprüfung am Ende von Phytogerm ergeben, erzählt Wiche. "Wir haben festgestellt, dass Phytomining ein wirtschaftlicher Prozess wäre, wenn wir 10 Milligramm Germanium pro Kilogramm Pflanzenbiomasse finden würden." Allerdings waren in der Prüfung die Metalle der Seltenen Erden noch nicht berücksichtigt, die in höheren Konzentrationen als Germanium im Boden vorkommen.

Derzeit liege der Ertrag bei zwei Milligramm Germanium pro Kilogramm Biomasse. Durch Züchtung und Beeinflussung von Prozessen im Wurzelraum lasse sich dieser aber sicherlich noch beachtlich steigern, sagt Wiche. Zudem ist zu erwarten, dass mit steigender Nachfrage auch der Preis für diese Rohstoffe steigen wird.

Durch diese beiden Entwicklungen - steigende Rohstoffpreise und verbesserte Prozesse - wird das Phytomining irgendwann wirtschaftlich sein. Die Frage ist nur, wann die ersten Smartphones mit von Pflanzen gewonnenem Germanium auf den Markt kommen. "Ich kann es Ihnen nicht mehr für dieses Jahrzehnt versprechen", sagt Heilmeier.  (wp)


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