Metalle aus Tiefsee-Erzen: Wie Wasserstoffprozesse die Rohstoffgewinnung neu definieren

Ein Forschungsteam um Ubaid Manzoor am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien entwickelt ein Verfahren, das Metalle aus Tiefsee-Manganknollen mittels Wasserstoff deutlich emissionsärmer gewinnt. Der Ansatz könnte die CO₂-Bilanz und Effizienz der Metallproduktion grundlegend verändern – und verschiebt die Debatte um zukünftige Rohstoffquellen.

Die Transformation hin zu elektrifizierten Energiesystemen ist ohne Metalle nicht zu haben. Kupfer für Leitungen und Motoren, Nickel und Kobalt für Batterien – sie bilden die materielle Grundlage der Energiewende. Doch je stärker diese Transformation voranschreitet, desto deutlicher tritt ein Zielkonflikt zutage: Der Bedarf steigt rapide, während die ökologischen und sozialen Kosten der Förderung an Land bereits heute erheblich sind.

Viele der klassischen Lagerstätten sind erschöpft oder nur noch mit sinkenden Metallgehalten erschließbar. Gleichzeitig wächst der Eingriff in Landschaften und Ökosysteme. Der Abbau von Nickel und Kobalt ist häufig mit großflächigen Rodungen verbunden, während die Aufbereitung der Erze enorme Mengen an Abraum erzeugt. In der Summe entstehen jährlich Milliarden Tonnen an nicht verwertbarem Material.

Vor diesem Hintergrund richtet sich der Blick zunehmend auf eine Ressource, die lange außerhalb industrieller Nutzung stand: Manganknollen der Tiefsee. Diese polymetallischen Konkretionen, die in mehreren tausend Metern Tiefe auf dem Meeresboden liegen, enthalten neben Mangan auch relevante Anteile an Kupfer, Nickel und Kobalt. Besonders in der Clarion-Clipperton-Zone im Pazifik sind sie in großen Mengen vorhanden.

Reduzierter ökologischer Fußabdruck: Nach dem Trocknen werden Tiefsee-Erze in einem elektrisch betriebenen Lichtbogenofen mittels Wasserstoffplasma reduziert. Dabei entstehen neben Manganoxiden und einer siliziumhaltigen Schlacke auch Legierungen mit Nickel und Kobalt. Das am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien entwickelte Verfahren verursacht deutlich weniger CO₂ als konventionelle, kohlenbasierte Prozesse / © U. Manzoor / Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH

Die Diskussion um ihre Nutzung ist seit Jahren von ökologischen Bedenken geprägt. Eingriffe in die Tiefsee betreffen ein komplexes und bislang nur in Teilen verstandenes Ökosystem. Entsprechend vorsichtig wurde die Idee eines industriellen Abbaus bewertet. Parallel dazu hat sich jedoch eine zweite Perspektive entwickelt: die Frage, wie sich diese Rohstoffe im Fall ihrer Nutzung möglichst effizient und emissionsarm verarbeiten lassen.

Hier setzt die Arbeit eines Teams um Ubaid Manzoor am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien an. Die Forschenden verfolgen einen metallurgischen Ansatz, der sich grundlegend von etablierten Verfahren unterscheidet. Während konventionelle Prozesse zur Gewinnung von Metallen aus Erzen auf kohlenstoffbasierter Reduktion beruhen, kombiniert das Max-Planck-Team thermische Aufschmelzung mit einer Reduktion durch Wasserstoff.

Im ersten Schritt werden die getrockneten Manganknollen in einem elektrisch betriebenen Lichtbogenofen aufgeschmolzen. Dabei lässt sich ein Großteil des enthaltenen Kupfers bereits in metallischer Form abtrennen. Dieser frühe Trennschritt ist entscheidend, da er die nachfolgenden Prozesse deutlich vereinfacht. Die verbleibende Schmelze wird anschließend mit Wasserstoffplasma behandelt. Unter diesen Bedingungen entstehen Legierungen, die Nickel und Kobalt enthalten, während gleichzeitig Manganoxide gebildet werden, die ihrerseits für technische Anwendungen, etwa im Batteriebereich, genutzt werden können.

Die Wahl von Wasserstoff als Reduktionsmittel ist dabei von zentraler Bedeutung. In klassischen Verfahren übernimmt Kohlenstoff diese Rolle, was zwangsläufig zu erheblichen CO₂-Emissionen führt. Wird Wasserstoff hingegen aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt, entsteht im Prozess selbst kaum CO₂. Nach Angaben des Teams lässt sich der Ausstoß im Vergleich zu konventionellen Verfahren um bis zu 90 Prozent reduzieren. Gleichzeitig sinkt der Energiebedarf, da der Prozess mit weniger Verfahrensschritten auskommt und die Reaktionen effizienter geführt werden können.

Neben diesen energetischen und klimatischen Aspekten bietet der Ansatz auch strukturelle Vorteile für die Weiterverarbeitung. Durch die frühzeitige Abtrennung von Kupfer entsteht eine klar definierte Ausgangssituation für die Raffination der verbleibenden Legierung. Die Komplexität der metallurgischen Trennprozesse wird dadurch reduziert, was langfristig auch industrielle Anwendungen erleichtern könnte.

Die Arbeiten von Ubaid Manzoor und seinem Team sind dabei nicht isoliert zu betrachten. Sie stehen im Kontext einer breiteren Entwicklung in der Material- und Prozessforschung, die darauf abzielt, klassische, oft kohlenstoffintensive Verfahren durch alternative Ansätze zu ersetzen. Wasserstoffbasierte Reduktionsprozesse gelten in vielen Bereichen als Schlüsseltechnologie, sei es in der Stahlproduktion oder in der Metallgewinnung.

Gleichzeitig verändert sich durch solche Ansätze die Bewertung von Rohstoffquellen. Während der Abbau von Tiefsee-Erzen weiterhin mit erheblichen ökologischen Fragen verbunden ist, verschiebt sich die Gesamtbilanz, wenn die anschließende Verarbeitung deutlich emissionsärmer erfolgt. Studien zeigen, dass die Gewinnung von Metallen aus terrestrischen Lagerstätten enorme Mengen an Abraum erzeugt, die weit über den Materialmengen liegen, die letztlich genutzt werden. Im Vergleich dazu könnten Tiefsee-Erze – abhängig von Abbauverfahren und Prozesskette – eine deutlich geringere Menge an festen Rückständen verursachen.

Dennoch bleibt die Frage der Nutzung dieser Ressourcen offen. Internationale Verhandlungen zur Regulierung des Tiefseebergbaus sind im Gange, und viele Aspekte, insbesondere die langfristigen ökologischen Auswirkungen, sind noch nicht abschließend geklärt. Auch die Übertragung der am Max-Planck-Institut entwickelten Prozesse in den industriellen Maßstab steht noch aus.

Gerade in dieser frühen Phase liegt jedoch der Wert der Forschung. Sie schafft eine Grundlage, auf der sich unterschiedliche Szenarien vergleichen lassen – nicht nur in Bezug auf technische Machbarkeit, sondern auch hinsichtlich Energiebedarf, Emissionen und Materialeffizienz. Damit wird ein Beitrag zu einer umfassenderen Bewertung geleistet, die über einzelne Technologien hinausgeht.

Die Energiewende stellt nicht nur die Frage nach neuen Energiequellen, sondern auch nach den Materialien, aus denen ihre Infrastruktur besteht. Verfahren wie das von Ubaid Manzoor und seinem Team zeigen, dass Fortschritte in der Werkstoff- und Prozesstechnik eine zentrale Rolle dabei spielen, diese Transformation mitzugestalten.

Der Blick auf die Tiefsee bleibt dabei ambivalent. Er eröffnet Chancen, zwingt aber zugleich zu einer sorgfältigen Abwägung. Zwischen steigender Nachfrage, technologischen Möglichkeiten und ökologischer Verantwortung entsteht ein Spannungsfeld, das sich nicht mit einfachen Antworten auflösen lässt.

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