Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt,
bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
produzieren. Kennst du schon unsere anderen
Podcast reihen wie Schlafreise durch das Universum?
Heute begeben wir uns auf eine Reise zu einem Element, das du
vermutlich nie in Rehenform gesehen hast, das aber in deinem
Alltag allgegenwärtig ist. Es steckt in den winzigen
Lautsprechern deiner Kopfhörer im Motor, der die Fenster deines
Autos bewegt, in der Festplatte, auf der vielleicht deine Musik
liegt, und in den gewaltigen Generatoren der Windräder, die
sich draußen im Wind drehen. Die Rede ist von Neodym, dem
Element mit der Ordnungszahl 60, dem Träger des vielleicht
stärksten Dauermagneten, den die Menschheit je hergestellt hat.
Lehn dich zurück, atme ruhig und lass uns gemeinsam eintauchen in
die Welt dieses stillen, unscheinbaren Metalls, das
unsere moderne Zivilisation im Innersten zusammenhält, der Name
Neodym. Trägt seine Geschichte bereits
in sich. Er stammt aus dem griechischen
und bedeutet so viel wie neuer Zwilling, um zu verstehen, warum
ausgerechnet dieser Name gewählt wurde, müssen wir zurückreisen
in das 19 Jahrhundert, in eine Zeit, in der die Chemie noch ein
Feld voller Rätsel und verborgener Verwandtschaften
war. Im Jahr 1885 arbeitete der
österreichische Chemiker Karl Auer von Welsbach in Wien an
einer Substanz, die man damals für ein einzelnes Element hielt
und Didym nannte. Der Name Didym leitete sich vom
griechischen Wort für Zwilling ab, denn dieses vermeintliche
Element trat stets als treuer Begleiter des Landhahns und des
Zähers auf, gleichsam als dessen Zwillingsbruder.
Doch Auer von Welsbach ahnte, dass sich hinter diesem Didym in
Wahrheit 2 verschiedene Stoffe verbargen.
Mit unermüdlicher Geduld unterzog er das Didym einer
Reihe von Kristallisationen einem mühsamen Verfahren, bei
dem eine Lösung immer wieder eingedampft und
auskristallisiert wird, bis sich die verschiedenen Bestandteile
langsam voneinander trennen. Nach Hunderten solcher
Durchgänge gelang ihm schließlich, was viele für
unmöglich gehalten hatten. Er zerlegte das Didym in 2
getrennte Elemente. Das eine nannte er Praseodym,
den grünen Zwilling nach der lauchgrünen Farbe seiner Salze,
das andere taufte er neodym, den neuen Zwilling.
Damit war ein Element geboren, das über ein Jahrhundert später
zu einem der begehrtesten Rohstoffe der Welt werden
sollte. Neodym gehört zur Gruppe der
Lanthanoide, jener 14 Elemente, die im Periodensystem meist in
einer eigenen Reihe unterhalb der übrigen dargestellt werden.
Damit die Tabelle nicht ins Unermessliche in die Breite
wächst. Gemeinsam mit dem Skandium und
dem Ytrium bilden die Lanthanoide die Gruppe der
Seltenen Erden. Dieser Name führt allerdings in
die Irre. Denn selten sind diese Elemente
keineswegs. Neodym ist in der Erdkruste
häufiger vorhanden als etwa Blei oder Zinn.
Metalle, die uns seit der Antike vertraut sind, der Begriff
selten stammt aus einer Zeit, in der man diese Stoffe nur mühsam
und in geringen Mengen aus ihren Erzen gewinnen konnte und in der
man sie fälschlicherweise für seltene Formen der sogenannten
Erden hielt, wie man. Metalloxide früher nannte die
eigentliche Schwierigkeit, liegt bis heute nicht in der
Häufigkeit, sondern in der Trennung.
Denn die Seltenen Erden treten in der Natur fast immer
gemeinsam auf, chemisch einander, so ähnlich, dass ihre
Trennung zu den anspruchsvollsten Aufgaben der
gesamten Verfahrenstechnik gehört.
Um zu verstehen, warum Neodym so besondere magnetische
Eigenschaften besitzt, müssen wir einen Blick in das Innere
des Atoms werfen, in jene Zone, in der sich die Elektronen
aufhalten. Jedes Element verdankt seine
Eigenschaften der Anordnung seiner Elektronen, und bei den
Lanthanoiden spielt eine ganz bestimmte Elektronenschale die
entscheidende Rolle, es ist die sogenannte F Schale.
Eine tief im Atom verborgene Elektronenhülle bei Neodym
befinden sich in dieser f Schale 4 Elektronen und diese
Elektronen sind es, die dem Element seinen Magnetismus
verleihen. Jedes Elektron trägt einen
winzigen magnetischen Moment in sich, gewissermaßen eine
mikroskopisch kleine Kompassnadel.
In den meisten Stoffen zeigen diese winzigen Nadeln in alle
Richtungen und heben sich dadurch gegenseitig auf.
Bei magnetischen Materialien jedoch richten sie sich aus, sie
zeigen alle in dieselbe Richtung und aus der Summe unzähliger
dieser winzigen Momente entsteht die Kraft, die wir als
Magnetismus wahrnehmen. Doch Neodym allein wäre als
Magnet nur schwach und unbrauchbar.
Das reine Metall verliert seine magnetische Ordnung bereits weit
unterhalb der Raumtemperatur. Erst die Verbindung mit anderen
Elementen verwandelt es in einen Magneten von geradezu
unheimlicher Stärke. Die entscheidende Entdeckung
gelang im Jahr 1983 und sie geschah gleich an 2 Orten der
Welt, fast zeitgleich in Japan arbeitete beim Unternehmen
Sumitomo der Forscher Masato Sagawa an einer Verbindung aus
neodym, Eisen und Bor. In den Vereinigten Staaten
verfolgte das Unternehmen General Motors einen ganz
ähnlichen Weg. Beide Gruppen stießen unabhängig
voneinander auf dieselbe bemerkenswerte Verbindung, die
man heute mit der Formel Neodym 2 Eisen 14 Bor beschreibt.
Dieser Werkstoff sollte die Welt der Magnete für immer verändern
das Geheimnis dieser Verbindung liegt im Zusammenspiel der 3
Elemente, das Eisen liefert die eigentlichen magnetischen
Momente in großer Zahl. Denn Eisen ist von Natur aus
stark magnetisch. Das Neodym sorgt dafür, dass
sich diese Momente in eine bestimmte Richtung zwingen
lassen und dort verharren, auch wenn kein äußeres Magnetfeld
mehr wirkt. Man spricht hier von der
Anisotropie der Vorzugsrichtung des Magneten, das Bohr
schließlich stabilisiert die Kristallstruktur und sorgt für
den festen Zusammenhalt des Gefüges.
Erst dieses fein abgestimmte Dreigespann erzeugt jene
außergewöhnliche magnetische Härte, die den Neodymmagneten
auszeichnet. Härte bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass der Magnet seiner Entmagnetisierung großen
Widerstand entgegensetzt, ein einmal magnetisierter
Neodymmagnet behält seine Kraft über Jahrzehnte, wenn man ihn
nur vor zu großer Hitze und vor mechanischer Zerstörung bewahrt.
Doch die Stärke des Neodym Magneten hat auch eine
Achillesferse. Und die liegt in seiner
Empfindlichkeit gegenüber Hitze. Jeder Dauermagnet verliert seine
magnetische Ordnung, wenn man ihn über eine bestimmte
Temperatur erhitzt, diese Grenze nennt man die Curie Temperatur,
benannt nach dem französischen Physiker Pierre Curie, der ihre
Gesetzmäßigkeit erforschte. Oberhalb dieser Temperatur
geraten die winzigen magnetischen Momente im Inneren
des Materials so stark in Unordnung, dass sich ihre
Ausrichtung auflöst und der Magnetismus verschwindet.
Bei der Verbindung aus Neodym, Eisen und Bor liegt diese
Curietemperatur bei rund 310 Grad Celsius und schon deutlich
darunter beginnt der Magnet spürbar an Kraft zu verlieren.
Für viele Anwendungen ist das ein ernstes Problem, denn gerade
in Elektromotoren entstehen im Betrieb erhebliche Temperaturen.
Um diesem Nachteil zu begegnen, setzt man dem Neodym oft geringe
Mengen anderer seltener Erden zu, insbesondere Dysprosium und
Terbium. Diese Zusätze verschieben die
Grenze der Hitzebeständigkeit nach oben und machen den
Magneten tauglich für den heißen Alltag im Inneren einer
Maschine. Allerdings sind gerade diese
Zusatzelemente noch seltener und teurer als das Neodym selbst.
Was die Forschung antreibt, mit möglichst wenig davon
auszukommen. Wie stark ein solcher Magnet
wirklich ist, lässt sich mit einer Kennzahl beschreiben, die
Fachleute das Energieprodukt nennen.
Sie gibt an, wieviel magnetische Energie in einem gegebenen
Volumen gespeichert werden kann, die besten neodym Magnete
erreichen Werte von über 400 Kilojoule pro Kubikmeter, ein
Vielfaches dessen ist. Was die klassischen ferid
Magnete leisten, wie sie etwa in einfachen Kühlschrankmagneten
stecken, diese enorme Energiedichte bedeutet in der
Praxis, dass ein neodym Magnet bei gleicher Kraft nur einen
Bruchteil des Volumens und des Gewichts eines herkömmlichen
Magneten benötigt. Genau diese Eigenschaft hat die
Elektrifizierung unseres Alltags erst möglich gemacht.
Denn überall dort, wo es auf kleine Bauweise und geringes
Gewicht ankommt, sind die neodym Magnete unersetzlich geworden.
Denken wir an die Kopfhörer, die vielleicht gerade in deinen
Ohren stecken, in ihrem Inneren sitzt eine winzige Membran, die
von einem ebenso winzigen Magneten in Schwingung versetzt
wird. Nur weil dieser Magnet aus
Neodym so stark ist, kann er in einem so kleinen Gehäuse einen
so vollen Klang erzeugen. Denken wir an die Festplatte
eines Rechners, in der ein Schreib und Lesekopf mit
unglaublicher Präzision über rotierende Scheiben gleitet,
bewegt von einem kleinen, aber kräftigen neodym Magneten.
Denken wir an die Elektromotoren, die in einem
modernen Elektroauto für den Antrieb sorgen.
In vielen dieser Motoren stecken neodym Magnete, die es erlauben,
auf kleinem Raum eine gewaltige Leistung zu erzeugen und dabei
erstaunlich wenig Energie zu verschwenden.
Und denken wir schließlich an die Windräder, deren Generatoren
in ihren Gondeln oft mehrere 100 Kilogramm an neodym Magneten
enthalten, um aus der Bewegung des Windes elektrischen Strom zu
gewinnen. Gerade dieser letzte Punkt
verweist auf eine tiefere Verbindung zwischen dem Neodym
und der Zukunft unseres Planeten.
Die Windkraft und die Elektromobilität gehören zu den
Säulen einer Energieversorgung, die ohne die Verbrennung von
Kohle, Öl und Gas auskommen soll.
Ohne die starken Magnete aus Neodym wären diese Technologien
deutlich schwerer, teurer und weniger wirkungsvoll.
So wird ein Element. Das vor kaum 140 Jahren entdeckt
wurde zu einem stillen Verbündeten im Bemühen, das
Klima unserer Erde zu bewahren. Es ist eine bemerkenswerte
Ironie der Geschichte, dass ausgerechnet ein Metall aus den
Tiefen der Erdkruste uns dabei helfen soll, den Ausstoß von
Treibhausgasen zu verringern, doch diese Verbindung hat auch
ihre Schattenseiten, und ehrlich wäre es nicht, sie zu
verschweigen. Die Gewinnung von Neodym ist
alles andere als sauber. Die seltenen Erden liegen in
ihren Erzen fast immer gemeinsam vor und ihre Trennung erfordert
große Mengen an Säuren und anderen Chemikalien in vielen
Abbaugebieten, insbesondere in Teilen Chinas, das über
Jahrzehnte den Weltmarkt beherrschte, hat der Abbau
schwere Umweltschäden hinterlassen.
Giftige Rückstände gelangten in Böden und Gewässer, ganze
Landstriche wurden vergiftet. Hinzu kommt, dass in den Erzen
der Seltenen Erden häufig auch radioaktive Elemente wie Thorium
und Uran enthalten sind, die bei der Verarbeitung als
problematischer Abfall zurückbleiben.
So steht das Neodym sinnbildlich für einen Zwiespalt unserer
Zeit. Es hilft uns, die Erde zu
schützen und fordert zugleich seinen Preis an anderer Stelle.
Die Aufgabe der kommenden Jahre wird darin bestehen, seine
Gewinnung sauberer zu gestalten und die Kreisläufe zu schließen,
damit das Neodym aus alten Magneten wiedergewonnen und
erneut genutzt werden kann. Der Weltmarkt für Neodym.
Ist zudem ein Feld, auf dem sich wirtschaftliche und politische
Kräfte überlagern, über viele Jahre hinweg lag der weitaus
größte Teil der Förderung und Verarbeitung in den Händen eines
einzigen Landes, was die übrigen Staaten in eine gewisse
Abhängigkeit brachte. Als es im Jahr 2010 zu
ausfuhrbeschränkungen kam, schnellten die Preise für
Seltene Erden in die Höhe und viele Länder erkannten
schlagartig, wie verletzlich ihre Versorgung mit diesen
unscheinbaren Metallen war. Seither bemühen sich Staaten in
aller Welt, eigene Vorkommen zu erschließen, Recyclingverfahren
zu entwickeln und ihre Lieferketten breiter
aufzustellen. Es ist ein Ringen um
Unabhängigkeit, das zeigt, wie sehr ein einzelnes Element ganze
Volkswirtschaften prägen kann. Vorkommen finden sich unter
anderem in Australien, in den Vereinigten Staaten, in Grönland
und in verschiedenen Ländern Afrikas, doch der Aufbau einer
eigenen Verarbeitung ist ein langwieriger und kostspieliger
Weg. Die schiere Kraft dieser kleinen
Magnete hat auch eine Seite, die zur Vorsicht mahnt.
Schon ein neodym Magnet von der Größe einer Münze kann ein
Vielfaches seines eigenen Gewichts halten und größere
Exemplare entwickeln anziehungskräfte, die man mit
bloßer Muskelkraft kaum noch beherrschen kann, ziehen sich 2
solcher Magnete an, so schnellen sie mit großer Wucht aufeinander
zu. Und wer dabei einen Finger
dazwischen hat, kann sich ernsthaft verletzen.
Besonders gefährlich sind kleine kugelförmige neodym Magnete, wie
sie früher als Spielzeug verkauft wurden.
Verschluckt ein Kind mehrere davon, so können sie sich durch
die Wände des Verdauungstrakts hindurch anziehen und schwere
innere Verletzungen verursachen. In vielen Ländern wurden solche
Magnetkugeln deshalb strengen Beschränkungen unterworfen.
Auch für Menschen mit einem Herzschrittmacher gilt Vorsicht,
denn ein starkes Magnetfeld kann die Funktion solcher Geräte
stören. So verlangt die Kraft, die das
Neodym so nützlich macht, im Umgang stets einen Wachen und
verantwortungsvollen Blick. Kehren wir zurück zu den
Eigenschaften des reinen Neodyms, denn es hat neben
seinem Magnetismus noch weitere bemerkenswerte Seiten.
In reiner Form ist Neodym ein silbrig glänzendes Metall, das
an der Luft rasch anläuft und eine bläuliche bis gelbliche
Oxidschicht bildet. Es ist verhältnismäßig weich und
lässt sich mit einem Messer schneiden, an der Luft und erst
recht in feuchter Umgebung korrodiert es schnell, weshalb
neodym Magnete stets mit einer Schutzschicht überzogen werden.
Meist aus Nickel, manchmal auch aus Kunststoff oder anderen
Metallen. Ohne diesen Schutz würde ein
neodym Magnet innerhalb kurzer Zeit zerfallen und zu Pulver
zerbröseln. Eine besonders faszinierende
Eigenschaft zeigt sich, wenn man Neodym in Glas Einschmilzt
solches Neodymglas besitzt eine ungewöhnliche Farbe, die
zwischen einem zarten violett und einem warmen Rosa changiert.
Das Erstaunliche daran ist, dass diese Farbe sich mit der Art des
Lichts verändert. Bei Tageslicht erscheint das
Glas eher bläulich violett, bei künstlichem Glühlampenlicht
dagegen rötlich. Dieser Wechsel entsteht dadurch,
dass die Neodymionen im Glas ganz bestimmte Anteile des
Lichtspektrums Verschlucken, insbesondere im gelben Bereich
Neodymglas. Wird deshalb für besondere
Ziergegenstände geschätzt und findet zugleich in der Technik
Verwendung, etwa in Schutzbrillen für
Glasbläserinnen und Glasbläser, deren Augen es vor dem grellen
gelben Licht des geschmolzenen Glases bewahrt.
Noch bedeutsamer ist die Rolle des Neodyms in der Welt der
Laser. In einem der wichtigsten und am
weitesten verbreiteten Lasertypen überhaupt dient
Neodym als aktives Element. Man bettet dazu einzelne neodym
Ionen in einen Kristall aus einem Material namens Yytrium
Aluminiumgranat ein, kurz oft als Yps RAG bezeichnet.
Regt man diese Neodymionen mit Licht an, so geben sie ihre
Energie in Form eines intensiven Lichtstrahls im nahen
Infrarotbereich wieder ab. Solche Neodym Laser sind aus der
modernen Welt kaum wegzudenken, sie schneiden und schweißen
Metalle in Fabriken, sie kommen in der Augenheilkunde und in
anderen Bereichen der Medizin zum Einsatz, sie dienen der
Vermessung und der Materialbearbeitung.
Auch in der Forschung spielen sie eine große Rolle, etwa bei
Versuchen zur Kernfusion, bei denen gewaltige Laseranlagen
winzige Brennstoffkügelchen auf unvorstellbare Temperaturen
erhitzen. So begegnet uns das Neodym
gleich in 2 ganz verschiedenen Gestalten, einmal als stiller,
unbeweglicher Magnet, der Kraft in sich birgt, und einmal als
Quelle eines gebündelten Lichtstrahls von großer
Präzision. Werfen wir noch einen Blick auf
die Frage, wieviel Neodym es auf unserer Erde überhaupt gibt und
wo es herkommt. Wie alle schweren Elemente ist
auch das Neodym nicht auf der Erde entstanden, sondern im
Inneren längst vergangener Sterne und bei gewaltigen
kosmischen Ereignissen ein Teil der Seltenen Erden stammt aus
den letzten Lebensphasen Sterbender Sterne als.
Ein anderer Teil, vermutlich aus der Verschmelzung von
Neutronensternen, jenen unglaublich dichten Überresten
großer Sonnen. Als sich unser Sonnensystem vor
rund viereinhalb Milliarden Jahren aus einer Wolke aus Gas
und Staub bildete, war das Neodym bereits darin enthalten,
ein Erbe früherer Sternengenerationen.
So trägt jeder Neodym Magnet in einem Kopfhörer oder Windrad ein
winziges Stück kosmischer Geschichte in sich, geschmiedet
in den Feuern ferner Sterne, lange bevor es die Erde gab.
In der Erdkruste liegt Neodym mit einem Anteil von etwa 28
Gramm pro Tonne vor, was es zu einem der häufigeren Vertreter
der Seltenen Erden macht. Die wichtigsten Minerale, aus
denen es gewonnen wird, tragen Namen wie Bastnesit und Monazit.
Diese Minerale enthalten ein ganzes Gemisch verschiedener
seltener Erden, aus dem das Neodym erst in einem
aufwändigen, mehrstufigen Verfahren herausgelöst werden
muss. Man nutzt dazu Unterschiede in
der Löslichkeit und im chemischen Verhalten der
einzelnen Elemente. Die allerdings so gering sind,
dass viele 100 Trennschritte nötig sein können, um wirklich
reines Neodym zu erhalten. Es ist eine stille
Meisterleistung der modernen Verfahrenstechnik, die hinter
jedem einzelnen Gramm dieses Metalls steht, wenn du das
nächste Mal deine Kopfhörer aufsetzt, ein Fenster im Auto
per Knopfdruck herunterfährst. Oder an einem Windrad
vorbeikommst dann denke einen Augenblick an dieses stille,
silbrige Metall mit der Ordnungszahl 60 an den neuen
Zwilling, der aus dem alten Didym geboren wurde, an die 4
Elektronen in seiner Tief verborgenen Schale, die ihm
seine magnetische Kraft verleihen, an die Sterne, in
deren Feuern es einst entstand. Und vielleicht auch an die
Verantwortung, die mit seiner Gewinnung einhergeht.
Und an die Chance, die in einem sorgsamen und
kreislauforientierten Umgang mit den Schätzen unserer Erde liegt.
Denn die Rohstoffe, die uns die Natur bereitstellt, sind ein
kostbares und begrenztes Erbe, sie klug, sparsam und mit Blick
auf die kommenden Generationen zu nutzen, ist eine der großen
Aufgaben, vor denen wir gemeinsam stehen.
Ein Element wie das Neodym kann uns dabei helfen, unsere Welt
behutsam in eine sauberere Zukunft zu führen, wenn wir es
mit Bedacht und mit Achtung vor der Natur einsetzen, aus der es
stammt. Ich danke dir, dass du heute mit
auf diese Reise durch das Periodensystem gekommen bist und
wünsche dir eine ruhige und erholsame Zeit.