23.04.2025
KREISLAUF

REEaLIGN: Forschungsprojekt entwickelt Recyclingverfahren für Seltene Erden aus Elektroschrott

Seltene Erden sind gar nicht so selten, wie ihr Name vermuten lässt, kommen aber dennoch nur in kleinen Mengen und verstreut vor. Umweltschonende Recyclingverfahren gibt es kaum. Das aber möchte ein österreichisches Forschungsprojekt nun ändern.
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REEaLIGN
© elements.envato/sergeyskleznev - Beispielfoto.

Besonders der Hightech-Bereich ist abhängig von Seltenen Erden: Smartphones, Laptops, LED-Leuchtmittel, Elektromotoren – sie alle brauchen diese Rohstoffe. Derzeit wird der Markt hauptsächlich mit neuen Seltenen Erden beliefert und bisher gibt es hierzulande keine nennenswerten Recyclingmethoden, die den ständig steigenden Bedarf decken könnten. In einem im Rahmen des FTI Call Angewandte Forschung geförderten Forschungsprojekt der Universität für Bodenkultur Wien, Standort Tulln, sollen deshalb nun neue Recyclingverfahren für Seltene Erden entwickelt werden. Der Name: REEaLIGN.

Aufwendige Verfahren zur Rückgewinnung

Das Recycling von seltenen Erden erweist sich im Normalfall als technisch anspruchsvoll und kostspielig, da die Konzentrationen dieser Metalle in Smartphones und Co. sehr gering sind. Es brauche aufwendige Verfahren, um sie von anderen Materialien zu trennen und in einer reinen Form zurückzugewinnen. Zum Vergleich: Metalle wie Aluminium oder Kupfer werden mit Recyclingquoten von oft über 50 Prozent ausgewiesen, weil sie leichter zu extrahieren und wirtschaftlich attraktiver sind.

Laut einem Reuters-Bericht von 2024 werden EU-weit weniger als ein  Prozent der Seltenen Erden recycelt. Diese Schätzung deckt sich mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, die folgende Definition parat hat: „Unter Seltenen Erden versteht man 17 verschiedene metallische Elemente oder umgangssprachlich Metalle. Sie kommen in der Erdkruste vor, genauer als Erze. Die am häufigsten genutzten sind Cer, Lanthan, Neodym und Yttrium. Sie können eigentlich nur gemeinsam als Gemisch gefördert werden.“

Laut dem Institut für Seltene Erden und Metalle in Luzern, Schweiz, sei der Name „Seltene Erden“ ein Irrtum: „Zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung im 18. Jahrhundert erwiesen sie sich als Bestandteil komplexer Oxide, die damals als ‚Erden‘ bezeichnet wurden. Außerdem schienen diese Mineralien knapp zu sein, und so wurden diese neu entdeckten Elemente ‚Seltene Erden‘ genannt. Tatsächlich sind diese Elemente recht häufig vorhanden und existieren in vielen funktionsfähigen Lagerstätten auf der ganzen Welt“, heißt es dort. Trotzdem treffe die Bezeichnung zu, weil natürliche Lagerstätten, die wirtschaftlich lohnenswert sind, kaum existieren. Häufig liegen Seltene Erden nur in kleinen Mengen und verstreut vor.

REEaLIGN: Recycling aus Elektroschrott

Um zurückzukehren, das Ziel des Forschungsprojekts REEaLIGN ist die Entwicklung eines neuartigen Recyclingverfahrens, das Biolaugung, Biosorption und Bioakkumulation kombiniert und eine nachhaltige, umweltfreundliche Rückgewinnung von Seltenen Erden aus Elektroschrott ermöglichen soll.

Dieser dreistufige Prozess beinhaltet in einer ersten Stufe die Herstellung eines Metallextrakts aus Elektroschrott. In der zweiten Stufe werden Metalle wie Eisen, Kupfer, Aluminium aus diesem Metallextrakt entfernt. In der dritten und finalen Stufe werden schließlich die Seltenen Erden aus dem Metallextrakt zurückgewonnen.

Kein Gift

Diese drei Methoden, Biolaugung, Biosorption und Bioakkumulation, hätten das Potential, Umweltprobleme wie die Erschöpfung natürlicher Ressourcen zu lösen. Sie seien zudem effizient, wirtschaftlich machbar und nachhaltig, wie es per Aussendung heißt. Die Gesamtkombination für die Rückgewinnung seltener Erden in diesem Projekt soll ein Prozess sein, der weder giftige oder schädliche Ausgangsmaterialien benötige, noch am Ende des Recyclingprozesses giftige, schädliche oder problematische Abfälle produziere. „Es ist notwendig,“, sagt Projektleiterin Doris Ribitsch, „neue, innovative Lösungen für die Umwelt- und Versorgungsprobleme unserer Zeit zu entwickeln.“.

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© zVg - Raphael Suchomel in Harvard.

Manche Wege sind direkt und vorgezeichnet – Schule, Bildung, Ausbildung und ein Job in dem Bereich, den man beherrscht. Andere sind von Umwegen gezeichnet, Mühsal und Zeiten, in denen man nicht weiß, wie es genau weitergehen soll. Raphael Suchomels Vita ist eine von den nicht-linearen.

„Plötzlich Mitternacht“

Er hat mit 18 die Schule zum ersten Mal abgebrochen und sich eine Vollzeitstelle gesucht. Der gebürtige Wiener schrieb sich fortan in eine Abendschule ein, brach jene aber – ein mal mit 19 und einmal mit 21 Jahren – wiederholt ab. Doch der Gedanke des endgültigen Aufgebens war keiner und im jungen Mann schlicht nicht vorhanden. So war es dann mit 22 soweit: der vierte Versuch, die Matura nachzuholen, gelang.

„Ich war in einer Abendschule im 21. Bezirk“, erinnert sich der 27-Jährige. „Von neun bis 17 Uhr Vollzeitjob, dann Unterricht bis halb zehn und anschließend noch Training. Und plötzlich war es Mitternacht.“

Zwei Jahre lang bestimmte dieser straffe Rhythmus seinen Alltag. Trotz der Doppelbelastung hielt der heutige Wahl-Hagenberger durch – und schloss die Abendschule schließlich mit ausgezeichnetem Erfolg ab.

Studium in Hagenberg

Es folgte ein Umzug von Wien nach Oberösterreich und der Start des ersten Jahrgangs des damals neu geschaffenen Bachelorstudiums „Artificial Intelligence Solutions“ an der University of Applied Sciences Upper Austria in Hagenberg.

Suchomel gehörte zudem zu den Mitgründern der Young AI Leaders Linz, einer lokalen Community innerhalb der AI-for-Good-Initiative der International Telecommunication Union der Vereinten Nationen. Die Gruppe bringt junge Menschen aus Forschung und Technologie zusammen und organisiert unter anderem Hackathons und Diskussionsveranstaltungen rund um Künstliche Intelligenz.

© Harvard/zVg – Eine 3D-Simulation eines schwach elektrischen Fisches.

Nach rund 100 verschickten Mails – die meisten davon blieben unbeantwortet – gelang es Suchomel schließlich, einen Forschungsaufenthalt als Praktikant an der Harvard Medical School zu ergattern. Dort befindet er sich auch heute und forscht an der Schnittstelle von Künstlicher Intelligenz und Neurowissenschaften.

Im Mittelpunkt seiner Arbeit stehen biologisch fundierte künstliche Agenten. Vereinfacht gesagt, bauen die Forschenden in Harvard virtuelle Tiere im Computer. Diese Tiere bekommen künstliche neuronale Netze und bestimmte Sinneswahrnehmungen und Bewegungsmöglichkeiten, die sich an echten Tieren orientieren. Anschließend lernen sie mit einer Methode namens „Reinforcement Learning“. Dabei wird ihnen nicht jede Handlung vorgegeben. Sie probieren unterschiedliche Verhaltensweisen aus und lernen über Belohnungen und Nachteile selbst, welche Strategien erfolgreich sind.

„Schauen wie sich Agent verhält“

„Wir kennen aus der Biologie die körperlichen Einschränkungen von Fischen“, erklärt Suchomel. „Wir wissen, wie sich Augen im Winkel bewegen, wie schnell sie sind und welche anderen biologischen Einschränkungen es gibt. Und wir statten einen ‚Reinforcement-Learning‘-Agenten mit diesem Wissen aus: Wir simulieren den Körper eines Fisches, sodass er über diesen Körper mit der Umwelt und mit anderen Fischen kommuniziert. Das schicken wir durch eine ‚Reinforcement-Learning‘-Umgebung, simulieren Trajektorien und schauen, wie sich der Agent verhält.“

Die Simulation funktioniert wie ein virtuelles Labor. Forscher können einzelne Sinneskanäle ausschalten, Kommunikationssignale verändern oder die Umwelt der Agenten manipulieren und beobachten, wie sich ihr Verhalten verändert. Damit sollen Hypothesen darüber entwickelt werden, warum bestimmte Verhaltensweisen entstehen und welche Mechanismen dahinterstecken. Solche Hypothesen sollen anschließend gezielter in Experimenten mit echten Tieren überprüft werden können.

Der Vorteil hierbei sei, dass man nicht jedes Verhalten explizit programmieren müsse, sondern durch die Kombination aus Körper, biologischen Einschränkungen, Umwelt und „Reinforcement Learning“ Verhalten entstehen lassen könne, das möglicherweise dem Verhalten echter Fische ähnelt. So soll — und das ist das Ziel — Forschung günstiger und schneller werden, sagt Suchomel. Man könne zudem Variablen besser isolieren und kontrollieren und neuronale Netze viel genauer analysieren. Das wäre bei echten Fischen teilweise sogar viel schwieriger, vor allem wenn man ihr Zusammenspiel mit anderen Fischen untersuchen möchte.

Künstliche und natürliche Intelligenz

Die Harvard Medical School und andere Institute verfolgen seit Längerem das Ziel, KI zu nutzen, um natürliche Intelligenz besser zu verstehen – und umgekehrt auch natürliche Intelligenz für die Entwicklung von KI zu nutzen.

„Dafür gibt es im KI-Bereich viele verschiedene Methoden und Ansätze, die sich an Beobachtungen aus der Natur orientieren. Gleichzeitig gibt es immer mehr Forschung an der Schnittstelle von KI und Biologie, bei der KI-Forscher und Biologen zusammenarbeiten“, sagt Suchomel. „Wenn man beispielsweise genau weiß, wie die Umgebung aussieht, und gleichzeitig die Kommunikation eines Fisches beobachtet, könnte man künftig elektrische Signale interpretieren. So lässt sich etwa erkennen, dass ein bestimmtes Signal ausgesendet wird, weil sich der Fisch bedroht fühlt. Dadurch könnte man nicht nur einzelne Fische, sondern auch die Gruppendynamik analysieren – und besser verstehen, wie sich die Tiere untereinander und in ihrer Umwelt verhalten.“

Suchomels Praktikum in Harvard reicht noch bis Februar, danach führt ihn den Weg nach Belgien an die KU Leuven – eine, wie er sagt „der besten Unis in Europa wenn es um KI geht“. Anschließend möchte er in einen „starken Master“ reinkommen und weiter an KI forschen. Wo das sein wird, sei erstmal zweitrangig: „Hauptsache starke Labs.“

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