In den kommenden Jahrzehnten wird die Nachfrage nach kritischen Materialien, die für alternative Energietechnologien wie Solar-, Wind- und Kernenergie sowie für Batterien und Brennstoffzellen benötigt werden, voraussichtlich erheblich steigen. Wenn diese Materialien aus dem Abwasser von Kommunen, Kraftwerken und anderen bislang kaum erschlossenen, nicht-traditionellen Wasserquellen zurückgewonnen werden könnten, würde dies einen wesentlichen Beitrag zur Deckung dieses Bedarfs leisten.
Um ein besseres Verständnis dafür zu gewinnen, wie reichlich diese alternativen Ressourcen möglicherweise vorhanden sind und welche davon am vielversprechendsten sind, untersuchte Professorin Lea Winter der Yale University gemeinsam mit einem Forscherteam verschiedene Datenquellen.
Rohstoffmangel bedroht den Ausbau sauberer Energietechnik
Der weltweite Übergang zu sauberen Energietechnologien hängt in hohem Maße von der Verfügbarkeit wichtiger Rohstoffe ab. Aktuelle Prognosen deuten darauf hin, dass die Verfügbarkeit dieser Rohstoffe bis 2040 möglicherweise nicht ausreichen wird, um die rasch wachsende Nachfrage zu decken. Erschwerend kommt hinzu, dass diese Rohstoffe oft nur in bestimmten Teilen der Welt vorkommen, was zu Problemen in der Lieferkette führen kann.
Zum größten Teil werden diese Rohstoffe aus dem Bergbau und anderen Primärquellen sowie aus dem Recycling gewonnen. Aufgrund der potenziellen ökologischen und gesundheitlichen Auswirkungen von Bergbauprojekten auf lokale Gemeinschaften schreiben die Forscher in ihrer Arbeit jedoch, dass die Suche nach alternativen Quellen von entscheidender Bedeutung ist. Beispiele hierfür sind saures und metallreiches Abwasser aus Bergwerken sowie brackiges Grundwasser, das in Wasseraufbereitungsanlagen behandelt wird. „Diese Stoffe werden in der Regel als Abfall betrachtet und wieder in die Umwelt zurückgeleitet, doch viele von ihnen sind tatsächlich reich an einer Reihe kritischer Materialien“, sagte Winter, Assistenzprofessor für Chemie- und Umweltingenieurwesen.
Lithium und Magnesium führen die Rohstoffliste an
Bei der Auswertung der Daten stellten die Forscher fest, dass Magnesium und Lithium in den untersuchten Wasserquellen am häufigsten vorkamen. Danach folgen in der Kategorie „mittel bis hoch“ Uran, Titan, Fluor und Silizium. Daher, so die Forscher, könnte die Rückgewinnung dieser Materialien mit bereits verfügbaren Technologien möglich sein. Die Rückgewinnung von Materialien ist einfacher, wenn diese in hohen Konzentrationen vorliegen. Eine Herausforderung besteht jedoch darin, dass Quellen mit hohen Konzentrationen eines Materials wahrscheinlich auch andere Materialien enthalten.
„Wir brauchen also Verfahren, die nicht nur auf ein Material abzielen“, sagte Winter. „Vielleicht können wir mehrere Materialien gemeinsam extrahieren und den Stoffstrom anschließend durch feinere Trennverfahren weiterverarbeiten, um den Bedarf an einer Reihe kritischer Materialien zu decken.“
Sie stellten außerdem fest, dass Seltenerdelemente, die häufig in Permanentmagneten für Technologien wie Windkraftanlagen und Batterien für Elektrofahrzeuge verwendet werden, in nicht-traditionellen Wasserquellen deutlich seltener vorkamen. Eine Ausweitung der Suche nach den Materialien auf Meerwasser würde jedoch zu größeren Mengen an Seltenerdelementen führen. „Sobald man Meerwasserressourcen mit einbezieht, tauchen Materialien wie Seltenerdelemente in bedeutenderen Mengen auf“, sagte sie. „Außerdem lässt sich insgesamt ein Anstieg bei einer Reihe von Materialien feststellen.“
Welcher Wasserstrom welche Rohstoffe birgt
Die Studie untersuchte zudem, welche Elemente am ehesten in bestimmten nicht-traditionellen Wasserquellen vorkommen. Kommunales Abwasser weist beispielsweise sehr hohe Konzentrationen an Kupfer, Titan und Nickel auf. Im Grundwasser fanden die Forscher eine relativ gleichmäßige Verteilung vieler Stoffe, darunter Magnesium, Lithium und Übergangsmetalle wie Nickel, Kupfer, Kobalt und Mangan. Auf einer detaillierteren Ebene stellten sie einen hohen Platinanteil in Abfallströmen aus der Zahnmedizin fest.
Insgesamt, so Winter, hoffen sie und ihre Kollegen, dass ihre Arbeit wichtige Leitlinien für die Herangehensweise an dieses Thema liefern wird. „Viele Forscher in der Fachwelt beginnen, über die Entwicklung dieser Rückgewinnungstechnologien nachzudenken“, sagte sie. „Deshalb wollen wir Prioritäten setzen – sowohl hinsichtlich der vielversprechendsten Materialien, auf die man sich konzentrieren sollte, als auch hinsichtlich der Wasserströme, die am wertvollsten sein könnten.“
Zu den Mitautoren der Studie gehört Max Saffer-Seng, der zum Zeitpunkt der Studie Bachelor-Student an der Yale University war und nun als Doktorand an der University of Colorado Boulder studiert. Auch Forscher der Northeastern University waren an der Arbeit beteiligt. Das Team stützte sich auf Daten des US-Energieministeriums, der Europäischen Kommission, des United States Geological Survey und anderer Behörden.
