Seltene Erden sind genau genommen bestimmte Metalle, die in Smartphones, Computern Elektromotoren, medizinischen Geräten, Lasern oder in militärische Technik zum Einsatz kommen. Nicht zuletzt fördern sie die Energiewende, denn sie ermöglichen besonders leistungsfähige und kompakte Motoren und Generatoren, etwa bei Elektroautos oder Windrädern.
Doch es ist enorm aufwendig, Seltene Erden mit herkömmlichen Methoden zu gewinnen, weil sie nur in sehr geringen Mengen in Gestein oder Erz vorkommen. Sie daraus zu lösen, benötigt sehr viel Energie, Chemikalien und Wasser. Das ist teuer und es entstehen enorme Mengen an giftigen sowie teilweise radioaktiven Abfällen. Der Anteil Chinas an der weltweiten Förderung beträgt rund 70 Prozent nach Angaben der Deutschen Rohstoffagentur. Noch größer ist indes der Anteil Chinas an der entscheidenden Verarbeitung. Er beträgt rund 90 Prozent, da Länder wie Australien, die USA oder Myanmar zwar Seltene Erden fördern, diese jedoch häufig nach China schicken. Erst dort werden sie in aufwendigen chemischen Prozessen getrennt und gereinigt. Die Schlüsselrolle Chinas in den globalen Lieferketten ist ein wirtschaftliches und politisches Risiko.
Das deutsch-australische Forschungsprojekt „MAGMA - Abbau von Seltenen Erden durch Bioökonomie-Ansätze“ sucht daher nach neuen Wegen, um die begehrten Metalle zu gewinnen. Im Rahmen der BMFTR-Fördermaßnahme „Bioökonomie International“ kooperieren dabei die Technische Universität München – Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit sowie die australische University of Queensland.
Natürliche Proteine binden Seltene Erden
Vor wenigen Jahren stießen Forschende auf Bakterien, die für ihren Stoffwechsel die Seltene Erde Lanthan benötigen. Mit Hilfe ihres Proteins Lanmodulin binden sie Lanthan und trennen es dadurch selektiv aus dem Gestein. Lanmodulin wirkt als sogenannter Chelator, ein Molekül, das ein Metallion an mehreren Stellen gleichzeitig bindet, wodurch ein stabiler „Käfig“ entsteht. Der Biochelator Lanmodulin ermöglicht so eine umweltfreundliche Abtrennung und Anreicherung von Lanthan aus komplexen Gemischen. Heute sei er „schon in der Industrie angekommen und nahe an der Anwendung“, erläutert Tobias Köllen, Leiter des MAGMA-Projektes.
Seine Arbeitsgruppe an der Technischen Universität München ist überzeugt: Wenn die Natur einen Biochelator wie Lanmodulin hervorbringt, dann könnte es noch weitere geben. „Wir suchen nach nicht allzu ähnlichen Proteinen, die ein anderes Spektrum an Seltenen Erden binden“, betont Köllen. Unter den Seltenen Erden gibt es welche, die in Reinform besonders gefragt sind, zum Beispiel Neodym und Dysprosium. Sie ermöglichen extrem starke Permanent-Magnete, welche besonders klein und leicht sind, aber trotzdem deutlich stärker als herkömmliche Magnete. Man benötigt sie für Elektroautos, Windkraftanlagen, Festplatten, Roboter, Drohnen und vieles mehr. Ein weiteres begehrtes Metall ist Praseodym, das Legierungen für hochfestes Metall etwa für Flugzeugmotoren ermöglicht.
Verlassene Uranminen als Fundstellen
Die Forschenden des MAGMA-Projektes suchen in den mutmaßlichen natürlichen Lebensräumen nach Mikroorganismen, die Seltene Erden verstoffwechseln. Die australischen Partner nehmen Proben aus verlassenen Uranminen: Abfallströme, Schlammwüsten oder Abfallhalden könnten Fundorte sein. Als weitere Quelle untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler methanreiches Meeressediment vor der Mittelmeerinsel Elba. „Eine weitere Forschungsfrage lautet: Wie weit ist es in der Natur verbreitet, dass Mikroorganismen Seltene Erden nutzen“, erklärt Doktorand Köllen.
Auf der Suche nach neuen Biochelatoren, die Seltene Erden binden, erfasst und analysiert die australische Arbeitsgruppe DNA aus Biofilmen, Abwässern oder Schlamm von alten Minen mittels einer metagenomischen Sequenzanalyse. Dabei wird die gesamte DNA aller Mikroorganismen in einer Umweltprobe untersucht. Derzeit sind die Australier bereits auf zehn DNA-Sequenzen gestoßen, die jener des Lanmodulin-Gens ähneln. Zudem senden sie die isolierte DNA an die deutsche Arbeitsgruppe, die diese im Gegensatz zu den Australiern für einen „funktionellen Ansatz“ verwendet. Köllen beschreibt, dass man aus der DNA in einem zellfreien System Proteine – darunter auch potenzielle Biochelatoren – gewinnt und diese dann ein funktionelles Screening im Ultra-Hochdurchsatz durchlaufen. Vereinfacht gesagt, kann man so unter Millionen genau jene Proteine herausfischen, die an weitere Seltene Erden binden. Das Projekt wird durch die Münchner Expertise in Umweltgenomik und in mikrofluidischen Ultra-Hochdurchsatz-Analyseplattformen unterstützt.
Funktionelles Screening im Ultra-Hochdurchsatz
Derzeit optimieren Köllen und Doktorand Lianqing Tong die hochkomplexen Analyseplattformen, bevor es auf die eigentliche Suche geht. Das Screening erfolgt nach Fluoreszenzspektroskopie auf Chips. Um einen extrem hohen Durchsatz zu ermöglichen, setzen die Wissenschaftler ein mikrofluidisches Tröpfchensystem ein, das in der Lage ist, Tröpfchen einer Wasser-in-Öl-Emulsion mit einer Rate von 1.000 Tröpfchen pro Sekunde zu sortieren. Derzeit muss das System noch mit Reporterproteinen „geeicht“ werden. So könnte man natürliche Proteine finden, die dann mit molekularbiologischen Methoden optimiert und in Pilotstudien mit Bergbau-Abfällen getestet werden. Das Ziel ist es, eine Technologie für einen nachhaltigen Bergbau zu entwickeln.
Ohne Seltene Erden sind jene modernen Technologien undenkbar, die heute Wirtschaftswachstum und Wohlstand sichern und zugleich klima- und umweltfreundlich sind. Zudem sind resiliente Lieferketten für Deutschland und Europa ein Gebot der Zeit. Die Bioökonomie vereint all dies und hat wie im Projekt MAGMA die Lösungen der Natur im Blick und entwickelt sie weiter, um die Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft zu meistern.
Ein Gastbeitrag von Ulrike Roll, Projektträger Jülich
Mit der BMFTR Fördermaßnahme „Bioökonomie International” sollen internationale Partnerschaften im Bereich Forschung, Entwicklung und Innovation auf- und ausgebaut werden. Dadurch wird Forschung zu den globalen Herausforderungen Klimawandel, Ernährungssicherung sowie Umwelt- und Ressourcenschutz stärker vernetzt. Gleichzeitig erschließen die Partnerschaften Innovationspotenziale und treiben biobasierte Lösungen voran. Dabei berücksichtigen die Projekte technologische Souveränität, ökonomische Wertschöpfung und die Schaffung von Arbeitsplätzen für gesellschaftlichen Wohlstand. Die Fördermaßnahme Bioökonomie International läuft seit 2013 mit jährlichen Ausschreibungen.
Im Rahmen der Fördermaßnahme „Bioökonomie International 2024“ fördert das BMFTR die Technische Universität München – Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit – Lehrstuhl für Chemie Biogener Rohstoffe mit einer Fördersumme von 316.000 Euro. Das Forschungsprojekt „MAGMA – Abbau von Seltenen Erden durch Bioökonomie-Ansätze“ besitzt eine Laufzeit drei Jahre und begann im Januar 2025. Ziel ist es, das Enzym-Engineering durch den Einsatz zellfreier Proteinexpressions-Plattformen zu beschleunigen.
