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Technologiemetalle – Ein vieldeutiger Begriff
13. April 2017
STRATEGISCHE METALLE
Die Rohstoffe mit großer Zukunft
Der Begriff „Strategische Metalle“ lässt sich weder von den chemischen noch von den physikalischen Besonderheiten und Eigenschaften dieser Metalle ableiten. Er wurde vielmehr durch die wirtschaftspolitischen Gegebenheiten geprägt und allgemein etabliert. Denn diese Metalle sind für die Rohstoffpolitik der Zukunft von entscheidender Bedeutung.
Was sind „Strategische Metalle“?
Moderne Kommunikationstechnik, Elektromobilität und Energiewende – das sind drei der großen Themen der Zukunft. Und für diese Zukunftstechnologien werden mineralische Rohstoffe und Metalle - wie zum Beispiel Indium, Gallium oder Hafnium – benötigt, ohne die kein Smartphone, kein Tablet, kein LCD-Bildschirm und keine Solarzelle funktionieren würde.
Diese Metalle sind zum einen für unser tägliches Leben unabdingbar, da sie nur sehr schwer durch andere Stoffe ersetzt werden können. Zum anderen sind sie sehr knapp und kommen relativ selten vor.
Die Versorgung mit diesen Rohstoffen ist aber wichtige Voraussetzung für unsere internationale Wettbewerbsfähigkeit. Und sie ist für die Sicherung unseres Wohlstandes von entscheidender strategischer Bedeutung.
Überblick: Strategische Metalle: Eigenschaften und Einsatzgebiete
Die Strategischen Metalle werden im Englischen auch als „minor metals“ bezeichnet - also als „Nebenmetalle“, weil sie oft bei der Erzgewinnung und bei Förderung von Buntmetallen als Bei- oder Nebenprodukte anfallen.
Indium
Indium
Das silbriggrau glänzende Indium ist in Reinform sehr weich. Der Schmelzpunkt von Indium ist mit 156,6 °C für Metalle sehr niedrig. Nur Quecksilber und Gallium haben einen niedrigeren Schmelzpunkt. Indium ist über einen sehr großen Bereich von 2000 °C flüssig. In diesem Zustand kann es Materialien mit einem sehr dünnen leitfähigen Film überziehen.
Im Zweiten Weltkrieg begann die kommerzielle Nutzung als Beschichtung von Lagern in Flugzeugmotoren. Es findet heute Verwendung in allen Displays, im iPhone wie im Flachbildschirm, im Handy wie im Computer.
Gallium
Gallium
Es schmilzt bereits bei 29,76 Grad und zieht sich dabei zusammen – was es zusammen mit Indium und Stannum, dem lateinischen Namen für Zinn, zu einer Legierung namens Galinstan werden lässt. Nach dem Verbot von Quecksilber wurde diese Legierung häufig in Thermometern verwendet.
Heute kommt Gallium überwiegend in der Halbleitertechnik zum Einsatz. Silicium-Halbleiter verweigern schon bei wenigen Gigahertz die Arbeit; ihre Gegenstücke aus Galliumarsenid funktionieren dagegen auch noch bei 250 Gigahertz. Auch in fast allen Leuchtdioden - den LEDs - findet man den Rohstoff in zahlreichen Verbindungen. Gallium ist sehr selten. Lediglich 100 Tonnen Rohgallium werden jährlich weltweit produziert.
Hafnium
Hafnium
Hafnium ist schwer zu gewinnen – es muss erst in einem aufwendigen Prozess von Zirkonium getrennt werden. Das stahlgraue Metall von hoher Dichte stammt größtenteils aus Australien und Südamerika; die weltweiten Vorkommen werden auf rund eine Million Tonnen geschätzt.
Stahl wird heute meist mit einem Plasmabrenner geschnitten, der kein gefährliches Gas mehr benötigt, sondern lediglich Luft und Strom. In seiner Kupferelektrode ist ein kleiner Knopf aus reinem Hafnium enthalten. Das Metall ist nicht nur extrem korrosionsbeständig und hat einen hohen Schmelzpunkt, es hat auch noch die einmalige Fähigkeit, Elektronen in die Luft abzugeben. Bei Hafnium genügt dafür bereits eine geringe Energiemenge, weshalb der Elektrodenkopf mit Hafnium kühler arbeitet und der Plasmabrenner gleichzeitig heißer brennt. Ein weiteres Haupteinsatzgebiet ist die Atomtechnik. Weiter findet Hafnium Verwendung in Computerchips, die ohne das außergewöhnliche Element bei weitem nicht ihre heutige Leistungsfähigkeit erzielen würden.
Wismut
Wismut
Lange Zeit galt Wismut lediglich als Abart von Blei, Zinn oder Antimon, bevor es 1830 als eigenständiges Element nachgewiesen wurde. Auch heute noch ist die Wismutproduktion abhängig von Blei oder Wolfram, aus dessen Erzen es überwiegend gewonnen wird. Wismut wird heute zum Großteil für Legierungen in der Metallurgie sowie in der Pharmaindustrie eingesetzt. Die große Stärke von Wismut: es hat ähnliche Eigenschaften wie Blei und andere Schwermetalle, ist aber im Gegensatz zu diesen vollkommen ungiftig. Es dient daher immer häufiger als Bleiersatzstoff. Auch in den schnellsten jemals in Serie gefertigten U-Booten der sowjetischen Alfa-Klasse, kam es in einer Blei-Wismut-Legierung zum Einsatz: Als Kühlmittel für den bordeigenen Atomreaktor.
Tantal
Tantal
Tantal ist der Stoff, aus dem die Drähte in Glühbirnen hergestellt wurden, bevor Wolfram hier die Vorherrschaft übernahm. Heute findet sich das Metall in vielen Bereichen wieder, ohne die das Leben im 21. Jahrhundert kaum vorstellbar ist: Kondensatoren aus Tantal sind klein, leistungsstark und eignen sich für hohe Frequenzbereiche. Dies macht sie fast unersetzlich zum Beispiel in Mobiltelefonen, Computern, Spielekonsolen, medizinischen Geräten oder Radios: Darüber hinaus wird das Element aufgrund seines sehr hohen Schmelzpunktes auch als Hochtemperatur-Legierung eingesetzt, unter anderem bei Flugzeugturbinen. Selbst in der Medizin ist Tantal zu finden: Da es ungiftig ist und mit Körperflüssigkeiten nicht reagiert, wird es gerne als Implantat verwendet.
Tellur
Tellur
Nur neun andere Elemente sind ähnlich selten wie das silbrig-weiße, metallisch glänzende Halbmetall. Tellur ist einerseits weich, andererseits ausgesprochen spröde; es lässt sich somit perfekt zu Pulver verarbeiten.
Tellur ist besonders wichtig als Legierungselement für die Kabelindustrie und die Stahlherstellung. Es kommt in Beschichtungen von DVDs und Blueray-Disks ebenso vor wie in Halbleitern - hier bevorzugt im Bereich der Photovoltaik bei Solaranlagen.
Kobalt
Kobalt
Kobalt wird überwiegend aus Kupfer- oder Nickelerzen gewonnen. Kobaltstahl ist eine der härtesten Legierungen überhaupt und wird unter anderem für Bohraufsätze und Fräsen verwendet. Aber auch für hoch beanspruchte Teile im Maschinenbau kommt es zum Einsatz; zum Beispiel in Schiffsschrauben oder Flugzeugturbinen. Seine mögliche Verwendung als Legierungselement und in Kobaltverbindungen lässt den Rohstoff zu einem strategisch äußerst wichtigen Metall werden. Es wird in manchen Katalysatoren ebenso benötigt wie in Li-Ionen Akkus; als Pigment dient es der Färbung von Porzellan oder Keramik.
Molybdän
Molybdän
Seine herausragenden Eigenschaften führen dazu, dass es der modernen Industrie vielfältige Anwendungen findet. Der hohe Schmelzpunkt, die gute Hitzefestigkeit sowie seine ausgezeichnete Leitfähigkeit sind perfekt geeignet für Superlegierungen und bei der Herstellung von hartem, hitzebeständigem Stahl. Man findet es in Ventilen und Turbinenschaufeln der Luft- und Raumfahrt ebenso wie in der chemischen Industrie; bei Bohrern und Fräsen wie in Katalysatoren für die erdölverarbeitenden Betriebe. Darüber hinaus ist das Metall unempfindlich gegenüber den Angriffen reduzierender Säuren. In Pulverform oder als Beimischung mit Öl widersteht der Rohstoff extremen Drücken und Temperaturen, was ihn zu einem Hochleistungsschmierstoff der Extraklasse werden lässt.
Chrom
Chrom
Anfangs wurde das Element vor allem als Farbpigment und in der Chromgerberei eingesetzt. Ohne Chrom würde es die Lederproduktion in der heutigen Form nicht geben. Deutlich bekannter jedoch ist der Einsatz in der Verchromung: Als Hartverchromung mit bis zu einem Millimeter Dicke auf Stahl, Gusseisen und Kupfer, als dünne Dekorverchromung auf Stoßstangen, Alufelgen oder Armaturen. Gemeinsam mit Vanadium kennt es wohl auch jeder Handwerker. Chrom-Vanadium-Stahl gilt als besonders fest und langlebig. Doch die mit Abstand größte Menge des weltweit produzierten Chroms fließt als wesentlicher Bestandteil in die Herstellung von rostfreiem Stahl ein, dem es zu rund 20 Prozent beigesetzt wird.
Zirkonium
Zirkonium
Obwohl Zirkonium kaum bekannt ist, ist es gar nicht mal so selten – es kommt beispielsweise häufiger vor als Kupfer. Zirkonium hat bemerkenswerte Eigenschaften: So bindet es zwar einerseits Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid, hat andererseits jedoch eine hohe Durchlässigkeit für Neutronen. Diese Eigenschaft macht es ideal als Hüllrohrmaterial für Brennelemente in Atomkraftwerken, wo es auch die höllischen Bedingungen im Kern eines laufenden Atomreaktors klaglos übersteht. Weitere Einsatzmöglichkeiten findet es bei der Desoxidation und Entschwefelung von Stählen oder als Gettermaterial für Vakuumpumpen. Und auch in Schmuckläden - als Zirkoniumdioxid, auch Zirkonia genannt. Es ist das beliebteste Imitat von Diamanten, denen es in punkto Strahlkraft in nichts nachsteht.
Wolfram
Wolfram
Mit Wolfram verbindet man gemeinhin die Glühbirne vergangener Tage. Kein anderes Metall ist bei hohen Temperaturen stabiler als Wolfram: Der ideale Glühdraht. Dabei ist die „Glühlampe“ eher schlecht zur Lichterzeugung geeignet. Denn nur zehn Prozent der Energie werden in Licht verwandelt, der Rest in Wärme. Die gute, alte Glühbirne ist also eher eine Heizlampe.
Andere Eigenschaften von Wolfram sind viel faszinierender: Nur wenige Metalle haben eine höhere Dichte als Wolfram. Gold, Osmium und Iridium haben jedoch einen entscheidenden Nachteil – sie sind um ein vielfaches teurer. Und so wird das Metall heute zu den unterschiedlichsten Zwecken eingesetzt; angefangen bei der Produktion von Hartmetallen über die Munitionsherstellung bis hin zur Eisenmetallurgie. Selbst in der Formel1 fährt es mit: Hier werden Platten aus Wolfram benutzt, um die Wagen an das vorgeschriebene Mindestgewicht von 620 Kilogramm zu bringen. Für hochpräzise Schneidewerkzeuge ist Wolframcarbid nahezu unersetzlich: Es ist bruchfester als Diamanten und um Welten härter als der beste Stahl.