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Jun 12, 2023

Die USA beginnen mit dem Aufbau einer Lieferkette für seltene Erden

VERTEIDIGUNGSABTEILUNG MP Materialfoto Dies ist Teil 4 eines 5-teiligen Sonderberichts über den Zustand der Verteidigungsindustriebasis. Klicken Sie hier, um den vollständigen Vital Signs 2023-Bericht herunterzuladen. BERGPASS,

VERTEIDIGUNGSMINISTERIUM

Foto von MP Materials

Dies ist Teil 4 eines fünfteiligen Sonderberichts über den Zustand der verteidigungsindustriellen Basis. Klicken Sie hier, um den vollständigen Vital Signs 2023-Bericht herunterzuladen.MOUNTAIN PASS, Kalifornien— Vom Smartphone in der Tasche bis hin zu Magneten, die eine wachsende Zahl von Elektrofahrzeugen auf der Straße antreiben: Seltene Erden sind die Grundkomponenten für einige der heute am häufigsten verwendeten Technologien.

Aber in den letzten drei Jahrzehnten hat Peking die weltweite Lieferkette für Seltenerdelemente so fest im Griff, dass fast alle Materialien – egal wo auf der Welt sie abgebaut werden – zur Veredelung nach China gelangen, bevor sie in Technologien verwendet werden können .

Nach Angaben des US-Handelsministeriums kontrolliert das Land derzeit fast 60 Prozent des Abbaus seltener Erden, mehr als 85 Prozent der Verarbeitungskapazität und mehr als 90 Prozent der Permanentmagnetproduktion.

Es handelt sich um ein Problem, das eine Schwachstelle in der Lieferkette der Vereinigten Staaten darstellt und angesichts der angespannten Beziehungen Washingtons zu Peking ein potenzielles Risiko für die nationale Sicherheit darstellt. Da die Nachfragesignale für Technologien, die auf diesen Elementen basieren, voraussichtlich sprunghaft ansteigen werden, investieren sowohl die Industrie als auch die Regierung in Methoden, die darauf abzielen, eine heimische Lieferkette für seltene Erden zu sichern.

Obwohl sie als „selten“ gelten, kommen die 17 verschiedenen Elemente, die als Seltene Erden bekannt sind, in der Erdkruste relativ häufig vor. Die Biden-Regierung betrachtet sie als eines der strategischen und kritischen Materialien und Mineralien für ihren Einsatz in mehreren modernen kommerziellen und Verteidigungstechnologien – darunter Smartphones, medizinische Geräte und hochspezialisierte Magnete, die in Elektrofahrzeugen, Düsenjägern und Drohnen verwendet werden.

Aber da die chemischen Eigenschaften der Seltenerdelemente kaum voneinander zu unterscheiden seien, sei es ein komplexer Prozess, sie einzeln zu trennen und zu verfeinern, damit sie zur Herstellung von Magneten und anderen Technologien verwendet werden könnten, sagte Linda Chrisey, Programmmanagerin bei der Defense Advanced Research Projects Agency .

„Zwei verschiedene Seltenerdelemente können Bruchteile eines Angström unterschiedlichen Durchmessers haben – das bedeutet, dass es sehr schwierig ist, sie mit physikalischen Mitteln zu trennen. „Die Prozesse, die derzeit verwendet werden … können 100 Schritte umfassen“, sagte Chrisey und wies auch darauf hin, dass das Verfahren aufgrund der zur Trennung und Reinigung der Metalle verwendeten Chemikalien sehr teuer und umweltschädlich sein kann.

„Das sind alles Gründe, warum es schwierig war, diese Art von Operation in den Vereinigten Staaten aufrechtzuerhalten“, fügte sie hinzu.

Doch auf einem Berg in der Mojave-Wüste, in der größten Mine für seltene Erden der USA, versucht MP Materials, diesen Trend umzukehren.

Mit der Größe und Leistungsfähigkeit seiner Anlagen versucht MP Materials, ein „Magnet-Champion“ in der westlichen Hemisphäre zu werden, sagte Matt Sloustcher, Senior Vice President für Kommunikation und Politik bei MP Materials.

„Wir versuchen, eine vollständige magnetische Lieferkette aufzubauen, und wir wollen in der Lage sein, alle notwendigen Materialien herzustellen und die notwendigen Materialien zu recyceln, um diese magnetische Lieferkette zu haben“, sagte er.

Seit der Übernahme der Mountain Pass-Mine im Jahr 2017 hat MP Materials die Produktion seltener Erdelemente am Standort wiederbelebt und produziert eine Mischung aus seltenen Erdenkonzentraten, die nach Angaben des United States Geological Survey etwa 15 Prozent der jedes Jahr verbrauchten seltenen Erdenmineralien ausmacht.

Und bald muss MP Materials diese Mischung nicht mehr nach China transportieren, um dort den langwierigen Prozess der Trennung und Raffinierung der Seltenerdelemente durchzuführen. Nach zweijähriger Bauzeit gab das Unternehmen im November bekannt, dass es kurz vor der Eröffnung der ersten Anlage zur Raffinierung seltener Erden in den Vereinigten Staaten in der Mountain Pass-Anlage steht.

Zuerst müssen Anlagen für die neue Anlage für die zweite Produktionsstufe in Betrieb genommen werden. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem die Ausrüstung der Anlage einem Stresstest unterzogen wird, um sicherzustellen, dass sie die Leistung erbringt, für die sie ausgelegt ist, sagte Sloustcher während eines Rundgangs durch die laufenden Bauarbeiten Mountain Pass-Mine. Das Verfahren werde im Laufe des Jahres 2023 durchgeführt, fügte er hinzu.

„Wir sind noch Monate davon entfernt, raffinierte Produkte herzustellen“, sagte er. "Es ist wirklich aufregend."

Die zweite Produktionsstufe beginnt mit einem Prozess des Trocknens, Röstens, Auslaugens und Reinigens der Mischung aus Seltenerdkonzentrat, erklärte er. Anschließend werden die Seltenen Erden in einen von mehreren hoch aufragenden Tanks geleitet, die sich in einem Gebäude befinden, das länger als ein American-Football-Feld ist. In diesen Bottichen trennt ein Lösungsmittelextraktionsprozess die Mischung in einzelne Seltenerdoxide, sagte er.

Obwohl es sich nur um eine Raffinerieanlage handelt, die mit mehreren in China konkurriert, markiert ihre Eröffnung einen entscheidenden Schritt in den Bemühungen der Vereinigten Staaten, ihre anfällige Lieferkette für seltene Erden anzugehen. Laut einer Pressemitteilung des Pentagon investierte das Verteidigungsministerium im Jahr 2020 10 Millionen US-Dollar in das 200-Millionen-Dollar-Projekt.

MP Materials wird sich auf die Verfeinerung einer Verbindung aus Neodym und Praseodym – einem der am häufigsten zur Herstellung von Seltenerdmagneten verwendeten Materialien – sowie Lanthan und Cer konzentrieren, so Sloustcher. Diese Elemente werden als „leichte seltene Erden“ klassifiziert. Die Regierung drängt auch auf die inländische Produktion von „schweren seltenen Erden“, die schwieriger zu raffinieren sind, aber auch zur Herstellung speziellerer Magnete verwendet werden. Beispielsweise werden die schweren Seltenerdmetalle Terbium und Dysprosium benötigt, um Seltenerd-Permanentmagnete herzustellen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden können, während Samarium zur Herstellung von Samarium-Kobalt-Magneten verwendet wird, die in Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen eingesetzt werden.

„Wenn man seltene Erden im Inland nicht trennt, gibt es eine Fehlerquelle in der Lieferkette für Magnete“, sagte er.

Das Verteidigungsministerium erteilte MP Materials im Februar 2022 einen Auftrag über 35 Millionen US-Dollar für den Bau einer Anlage, die speziell für die Verarbeitung schwerer Seltenerdelemente in der Mountain Pass-Mine konzipiert ist. Sloustcher sagte, die schweren Seltenen Erden würden in einem anderen Gebäude raffiniert und fügte hinzu, dass das Projekt gerade erst begonnen habe.

Um die Lieferkette für Magnete vollständig zu domestizieren, begann MP Materials im April 2022 außerdem mit dem Bau der ersten Fabrik für Seltenerd-Magnete in den USA. Die Anlage befindet sich in Fort Worth, Texas, und wird in der Lage sein, jährlich rund 1.000 Tonnen Neodym-Eisen-Fasern zu produzieren. Nach Angaben des Unternehmens handelt es sich dabei um Bormagnete aus Seltenerdelementen, die in den Mountain Pass-Anlagen abgebaut und raffiniert werden.

Da der Verteidigungsmarkt nur einen Bruchteil des Gesamtbedarfs der Vereinigten Staaten an Seltenen Erden ausmacht – etwa fünf Prozent –, versucht das Unternehmen zunächst, den Bedarf innerhalb der kommerziellen Industrie zu decken, bemerkte Sloustcher.

Die Nachfragesignale für Seltene Erden werden voraussichtlich zunehmen, da die Welt mit Maschinen elektrisiert wird, die hochspezialisierte Seltenerdmagnete erfordern.

Laut einem Bericht des unabhängigen Forschungsunternehmens Adamas Intelligence wird sich die weltweite Nachfrage nach Seltenerdoxiden voraussichtlich von 15 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 46 Milliarden US-Dollar im Jahr 2035 verdreifachen.

„Die Welt elektrisiert in jeder Hinsicht – Elektrofahrzeuge, Windkraftanlagen, Drohnen, Roboter, alles“, sagte Sloustcher. „Das Nachfragebild ist also sehr positiv, und das Angebot ist im Vergleich zu dem, was die meisten Analysten prognostizieren, einfach nicht vorhanden.“

MP Materials habe bereits eine Vereinbarung mit General Motors über die Produktion von Seltenerdlegierungen und Magneten für die Elektrofahrzeugprogramme des Automobilherstellers ab Ende 2023 getroffen, sagte er.

„Der Verteidigungsbedarf allein kann nicht einmal eine bescheidene Magnetfabrik aushalten“, sagte Sloustcher. „Wir wollen in der Lage sein, uns zu behaupten und GM und andere Unternehmen zu beliefern … und wenn uns das gelingt, kann die Nachfrage nach Verteidigungsgütern befriedigt werden.“

Unterdessen erforschen Chrisey und ihr Team bei DARPA Möglichkeiten, die heimische Lieferkette für seltene Erden mithilfe einer anderen Methode zu sichern – dem Bioabbau.

Das Programm „Environmental Microbes as a BioEngineering Resource“ (EMBER) ist eine DARPA-Initiative zur Nutzung mikrobieller und biomolekularer Techniken zur Trennung und Reinigung von Seltenerdmischungen, wie sie in der Mountain Pass-Mine produziert werden, sagte Chrisey. Das Programm wurde von Mikroben inspiriert, die in rauen, vulkanischen Umgebungen leben und seltene Erden zum Überleben nutzen, sagte sie.

„Weil sie diesen extremen Umgebungen ausgesetzt waren, nutzten sie die seltenen Erden als Cofaktoren für Enzyme und entwickelten Transportsysteme, um die Elemente aus der Umgebung aufzunehmen, in die Zelle zu bringen und dort zu speichern, bis sie benötigt wurden.“ Sie erklärte. „Vielleicht können wir herausfinden, wie die Zellen das machen, und das für unsere Zwecke nutzen.“

EMBER wird Biomining nutzen, um dieses natürlich vorkommende Phänomen nachzuahmen. Die Technik nutzt Mikroben, um dabei zu helfen, ein interessierendes Element aus einer größeren Mischung abzubauen oder zu trennen, erklärte Chrisey. Das Verfahren sei für Seltene Erden aufgrund der „schlechten Spezifität und Selektivität der Mikroben“ für die Elemente noch nicht vollständig entwickelt, sagte die Agentur.

Im Oktober gab das Programm bekannt, dass es Teams des Lawrence Livermore National Laboratory, des Battelle Memorial Institute und der San Diego State University für die Teilnahme an Phase eins des vierjährigen Programms ausgewählt hat.

Jedes Team wird ein anderes Ausgangsmaterial nehmen, das mindestens acht verschiedene Seltenerdelemente enthält, und jedes Element mithilfe verschiedener Mikroben und Biomining-Techniken voneinander trennen und verfeinern, sagte Chrisey. Die drei Gruppen nutzen eine einzigartige Kombination aus Ausgangsmaterial, Mikroben und Bioabbau, fügte sie hinzu.

Beispielsweise beginnen zwei Teams mit Mineralquellen, die teilweise aus aus dem Boden ausgegrabenen Erzen verarbeitet werden können, während sich das dritte mit abgebauten Abfällen befasst. Und während sich eine Gruppe auf Mikroben konzentriert, weil sie natürlicherweise in extremen Umgebungen vorkommen, verwendet ein anderes Team eine Klasse von Mikroben, die auf Methan wachsen und sich von Treibhausgasen ernähren.

„Wir denken über viele verschiedene Ebenen nach und darüber, wie die Biologie in diesem Gesamtprozess einen Vorteil verschaffen könnte“, sagte sie.

Die erste Phase von EMBER wird voraussichtlich im Januar 2024 abgeschlossen sein. Danach wird die DARPA entscheiden, ob sie mit der zweiten Phase fortfährt oder nicht, sagte Chrisey. Wenn dies der Fall ist, wird sich die nächste Phase auf die Verbesserung der Effizienz und des Umfangs der Trennung seltener Erden aus Ausgangsgesteinen konzentrieren, und dann wird Phase drei mit einer Demonstration des Bioabbaus seltener Erden im Pilotmaßstab enden.

Teil 1: Jährliche Umfrage zeigt wachsende Besorgnis über den Zustand der IndustriebasisTeil 2: Verteidigungsunternehmen sind nach der Pandemie mit Arbeitskräftemangel konfrontiertTeil 3: Wie Einwanderungsreformen helfen können, China entgegenzuwirkenTeil 5: Das Pentagon unternimmt Schritte, um den technischen Wandel zu beschleunigen – der in der Zukunft steht

Themen:Energie

Als wir das das letzte Mal versuchten, wurde der Vorgänger von MP von den Chinesen aus dem Verkehr gezogen, die einfach die Preise für seltene Erden senkten. Hoffentlich lassen wir das noch einmal zu.

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