60. Neodym (Nd) - Der stärkste Magnet

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0:23 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.

1:03 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

1:59 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,

2:48 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.

3:19 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.

3:43 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.

4:12 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.

4:54 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.

5:18 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.

5:48 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.

6:44 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.

7:26 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.

7:55 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.

8:39 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.

9:03 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.

9:34 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

10:27 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.

11:19 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.

12:03 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

12:54 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.

13:19 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.

13:55 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

14:51 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.

15:32 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.

15:58 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.

16:21 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.

16:51 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.

17:17 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.

17:47 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.

18:32 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.

19:00 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.

19:27 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

20:19 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.

20:47 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.

21:21 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,

22:11 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.

22:35 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.

23:01 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.