Microbe Mining: a vision for eco-friendly (re)extraction of rare earths

Abstract

In einer Welt, die von Technologie und Innovation vorangetrieben wird, sind seltene Erden zu einer begehrten Ressource geworden. Diese 17 verschiedenen Mineralien befinden sich in Gestein und den Böden unserer Erde und werden durch Bergbauprozesse und anschließende aufwendige Aufbereitungs-, Extraktion- und Raffinatiosnverfahren für die Industrie nutzbar gemacht.

Doch es wird immer deutlicher, dass die Gewinnung dieser nahezu immer mit ökologischen Problemen und sozialen Missständen verbunden ist. Raubbau an Landschaften mit natürlichen Ressourcenvorkommen, die Freisetzung von giftigen Chemikalien und die soziale Ausbeutung von an der Extraktion beteiligten Arbeitern sind nur einige davon. Trotzdem ist unsere hochtechnisierte Welt auf diese Rohstoffe angewiesen. „[…]our cloud based, digital existence is firmly rooted into the ground.“ (0)

In diesem Projekt wurde mithilfe des Konzepts der Science Fiction ein Zukunftsvision illustriert, die die problematischen Produktionsbedingungen seltener Erden hinter sich lässt und einen umweltfreundlicheren und von natürlichen Prozessen inspirierten Weg aufzeigt, wie diese Mineralien alternativ gewonnen werden könnten.

Die Grundidee der Vision basiert dabei auf realen wissenschaftlichen Konzepten der Mikrobiologie und aktuellen Forschungsarbeiten zur Extraktion Seltener Erden mithilfe von Bakterien. An einigen Stellen steht die Wissenschaft jedoch noch vor Herausforderungen, damit eine vollständige Umsetzung des Konzeptes erreicht werden kann. Diese Leerstellen haben ich versucht mit eigenen, fiktiven Verfahren und Konzepten zu füllen.

Facts and Figures: Seltene Erden

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Seltene Erden, auch als seltene Erdmetalle (RREs) bekannt, bilden eine Gruppe von 17 metallischen Elementen, die aufgrund ihrer einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung sind, um den ständig wachsenden Bedarf an neuen technologischen Produkten weltweit zu decken.

Jedes seltene Erdmetall hat einzigartige chemische Eigenschaften, die es für bestimmte Anwendungen besonders geeignet machen. Cer ist beispielsweise wichtig für die Herstellung von Magneten, während Europium in der Herstellung von Bildschirmen für Farbfernseher und Computermonitore verwendet wird. Einige seltene Erden, wie Neodym und Praseodym, haben magnetische Eigenschaften, die sie in der Herstellung von leistungsstarken Magneten für Elektromotoren und Generatoren unverzichtbar machen. Andere, wie Dysprosium, werden in der Magnettechnologie für Windkraftanlagen verwendet. (1) Weiterhin besitzen sie eine besondere energetische Effizienz, ihre Anwendung in beispielsweise Elektromotoren von Elektrofahrzeugen trägt zur Steigerung der Energieeffizienz bei.

Das Vorkommen dieser Elemente ist nicht unbedingt so selten wie der Name vermittelt. Schätzungsweise liegen ein Drittel aller weltweiten Vorkommen seltener Erden in China, was das Land zum weltweit größten Produzenten und quasi Monopolist macht. (2) Die Förderung seltener Erden erfolgt mithilfe des Bergbaus und ist mit der Erzeugung von radioaktiven Abfällen sowie Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung verbunden. Zudem müssen die seltenen Erden mit erheblichem ökologischem Aufwand gereinigt und werden, was viel Energie verbraucht.

Die nahezu monopolartige Beherrschung einer strategisch bedeutsamen Ressource durch China ermöglicht es dem Land, die Kontrolle über den Export von seltenen Erden zu übernehmen, die Preise zu steuern und die Produktion zu beeinträchtigen, vor allem in Zeiten immer wieder auftauchender diplomatischer Meinungsverschiedenheiten mit anderen Nationen. Aufgrund dieser Situation zeigen Länder wie die Vereinigten Staaten, Japan und Europa verstärktes Interesse und bemühen sich aktiv um alternative Lieferquellen. Zum Beispiel setzt Japan auf das Recycling von seltenen Erden aus ausrangierten Elektronikgeräten wie Festplatten, um die Abhängigkeit von herkömmlichen Quellen zu verringern. (3)

Recherche (1) "Tiny Mining: Extreme Ecologies of the Human Body" (2019)

„If what we use every day, smartphones, cables, electricity, comes from the earth, then by making it part of ourselves and then taking it out of ourselves we become part of these things, they come from us and we use them. That’s why we call ourselves users.“ (Martin Howse, Initiator „Tiny Mining, siehe angehängtes Dokument 1)

Bei meiner Recherche stieß ich auf das Projekt “tiny mining„, welches zwischen 2019 und 2021 in einer Open-Source-Genossenschaft und Gemeinschaft von Wissenschaftler*innen verschiedener Disziplinen und Künstler*innen durchgeführt wurde. Initiator war Martin Howse, welcher sich mit der künstlerischen Erforschung der Zusammenhänge zwischen der Erde (geophysikalische Phänomene), Software und der menschlichen Psyche (Psychogeophysik) beschäftigt. Angesichts der in 2021 erstmalig von einigen großen Wirtschaftsverbänden veröffentlichen Forderung nach einem Ressourcen-Moratorium, erforscht die Initiative neue Wege, die den menschlichen Körper als Quelle für mehr als 20 verschiedene Mineralien und seltene Erden nutzen. Dies geschah vor allem während der Corona-Pandemie 2021, indem sich Forscher*innen und Teilnehmenden auf einer Internetseite vernetzten und über die Plattform Zoom die Experimente planten und durchführten. (4)

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Die Workshop zur Extraktion waren wie folgt aufgebaut. Sowohl Forschenden als auch freiwillig Teilnehmenden/Interessierten wurde je ein Mineral oder eine seltene Erde zugewiesen, die sie innerhalb einer bestimmten Zeitspanne aus ihrem Körper extrahieren sollten. Je nach Stoff gab es zudem einen bestimmten Ernährungsplan und zusätzliche Hinweise zur Lebensweise. Die Teilnehmenden trafen sich in regelmäßigen Online-Trefffen, um ihre Erfahrungen auszutauschen und Kontrollexperimente durchzuführen. Nach vier Tagen wurde die „Chelation“ durchgeführt, ein Prozess der die jeweiligen Metalle im Körper anreichern soll, sodass sie am folgenden Tag extrahiert bzw. nachgewiesen werden können. Für den Nachweis und die Extraktion wurden unter anderem Haar-, Schweiß-, Atem- und Urinproben von den Teilnehmenden eingereicht. Zudem testeten sie ihre Schwermetallbelastung und hielten ihre Gedanken und Gefühle in einem Bericht fest. (5)

An diesem Projekt faszinierte mich vor allem die mediale Darstellung des Forschungsvorhabens auf der dazugehörigen Webseite (http://tinymining.me). Das gemeinschaftliche Experimentieren und die Ergebnisse wurden in verschiedenen Formen online festgehalten, z.B. mithilfe von Fotos und Einzelberichten der Experimente über die Plattform Zoom. Zudem erschien am Ende des Projektes ein sehr ausführlicher Abschlussbericht, der das Vorhaben, die beteiligten Menschen und die Ergebnisse sehr detailliert, aber vor allem sehr zugänglich für Nicht-Wissenschaftler*innen aufbereitet hat.

Weiterhin fand ich es sehr spannend, dass das gesamte Forschungsvorhaben anfangs zwar durchaus wissenschaftlich-rationale Ansätze hatte, in der Umsetzung jedoch auch subjektive Empfindungen und Gedanken der Teilnehmenden dokumentiert wurden. Der Abschlussbericht dieses Projektes weist also sowohl wissenschaftlich beweisbare Tatsachen wie z.B. Messwerte, als auch „gefühlte Wahrheiten und Schilderungen“ der Teilnehmenden auf.

Recherche (2) "Harvesting the Rare Earth" (2017)

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Ein weiteres Projekt, das mich für meine eigene Ausarbeitung inspiriert hat ist „Harvesting the Rare Earth“ (2017) von Jacob Remin. Remin beschäftigt sich in diesem Werk mit einem spekulatives Szenario der nahen Zukunft, in dem ein fiktives Biotech-Unternehmen eine nachhaltige Biomining-Technologie entwickelt hat, um in Agbogbloshies (größten und berüchtigtsten Elektroschrottdeponie der Welt) Seltene Erden zu sammeln. Zusammen mit dem Bioingenieur Martin Malthe Borch entwickelte Remin ein Konzept einen Biomining-Prozess mithilfe von genetisch veränderte Raupen, welcher sich an realen Stoffwechselprozessen der Natur und der Metamorphose orientiert. Die fiktive Recyclingtechnologie trägt den Namen „The Butterfly Solution“ und besteht aus drei Teilprozessen, die durch Fotos und Installationen dargestellt werden. (6)

Der Prozess der fiktiven Technologie:

Zunächst wird eine Nährlösung auf aussortierte Teile vom Elektroschrott verteilt. Die Chemikalien der Lösung lösen dann langsam die in den Abfällen vorhandenen Seltenen Erden (REEs) aus. Mikroskopisch kleine Pilze werden hinzugegeben und ernähren sich von den Nährstoffen in der Lösung und reichern REEs in ihrem Gewebe an. Es folgt die Hinzugabe von Larven des genetisch veränderten Schmetterlings, welche sich sich von den Pilzen ernähren und sich schließlich in Schmetterlinge verwandeln, die mit REE-Elementen angereichert sind. Da sie von Natur aus von Licht im ultravioletten Bereich angezogen werden, fliegen sie zu einer mit UV-Licht ausgestatteten Sammelstelle. Dort werden die Schmetterlinge in eine enzymatische Säurelösung gegeben, die die organische Substanz der Insekten auflöst. Schließlich werden die Seltenen Erden in saubere Mineralfraktionen getrennt, die für industrielle Weiterverarbeitung geeignet sind. (7)

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Die fiktive Biomining-Technologie wird im Projekt aus Sicht eines Biotech-Unternehmens an die wissenschaftliche und nicht wissenschaftliche Öffentlichkeit kommuniziert. Dies geschieht in Form einer Art Präsentationsveranstaltung, welche durch verschiedene Räumen führt und die Teilprozesse thematisiert. Die neuartige Recyclingidee mit dem poetischen Namen „Butterfly Solution“ wird als nachhaltig und besonders menschenfreundlich verkauft, da sie im Gegensatz zur herkömmlichen Gewinnung von Seltenen Erden nicht mit Ausbeutung menschlicher Arbeiter*innen und Umweltverschmutzung in Verbindung gebracht wird. Im Kontrast dazu stehen jedoch die Bilder von massenhaft toten Schmetterlingen als Opfer der Technologie und Drohnenaufnahmen von einer der größten Elektroschrottmüllhalden der Welt, die als Ort von der neuen Technologie kaum profitieren kann.

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An diesem Projekt faszinierte mich vor allem der fiktive biologische Prozess, der mithilfe eines Biologen erarbeitet wurde und die Detailgenauigkeit, mit der die präparierten Schmetterlinge und Raupen sowie die dazugehörigen Geräte zur Extraktion Seltener Erden inszeniert wurden. Obwohl die wissenschaftliche Betrachtung des Verfahrens an vielen Stellen nicht haltbar ist, überzeugt das Projekt in seiner ästhetischen und konzeptionellen Gestaltung und erinnert an das „Science Fiction“ Genre aus Film und Literatur.

Umsetzung: Microbe Mining

Idee

Für meine eigene Zukunftsvision eines neuartigen Recyclingprozesses habe ich mich vor allem vom Projekt „Harvesting The Rare Earth“ inspirieren lassen und mir ein neues, in Teilen fiktiv gestaltetes Biomining-Verfahren ausgedacht, welches in der Natur vorkommende Bakterienstämme verwendet, um Mineralien und Seltene Erden aus alter Technik bzw. Elektroschrott gewinnen kann.

Mein Ziel war es, anders als bei „Harvesting The Rare Earth“, ein noch näher an der biologischen Realität liegendes biologisches Konzept zu erstellen. Weiterhin störten mich die trotzdem noch problematischen Folgen in „Harvesting The Rare Earth“, wie der Fakt, dass hier in großen Mengen Schmetterlinge und Raupen auf engstem Raum gezüchtet und zu Tode kommen würden. Mein Anspruch war es also eine Methode für das Recycling Seltener Erden zu erfinden, welche

1. ohne problematische Auswirkungen auf Mensch und Umwelt stattfinden kann

2. ohne den Einsatz von Tieren bzw. Insekten und das damit verbundene Leid auskommt

3. möglichst energiesparend und ressourcendsparend ist und

4. sich in eine wissenschaftliche und technische Realität der Welt in 10-15 Jahren einfügt

Hintergrund

Innerhalb der letzten 50-100 Jahre wurde partiell immer wieder zum Thema „Mikroorganismen und Metalle“ geforscht und publiziert, denn die Auslösung von Metallen durch Mikroorganismen vor allem im Bergbau war im Laufe der Industrialisierung zunehmend mit Umweltverschmutzung durch entstehende Säuren verbunden. Das dahinterliegende Konzept nennt sich „bacterial leaching“ oder auch Erzlaugung und wurde schon 1.000 Jahre v.Chr. im Mittelmeerraum für die Kupfergewinnung genutzt. Nachdem es seit den späten 1940er Jahren verstärkt Forschung dazu gab, konnten in den 1980er/1990er Jahren verschiedene chemische und chemisch-biohydrometallurgische (mikrobielle) Verfahren zur Gewinnung von z.B. Kupfer und Uran entwickelt werden. (8)

Dieser mikrobielle Bergbau ermöglicht es Metalle rentabel aus sogenannten Armerzen (Erze mit niedrigem Metallgehalt) zu gewinnen. Mit zunehmender Erschöpfung metallreicher Erzlager werden diese mikrobiellen Verfahren immer wichtiger, aktuell werden mit diesen Verfahren ca. 20-25 % des weltweiten Kupfers und ca. 5% des weltweiten Goldes gewonnen. (9)

Jedoch stößt auch dieses Verfahren an seine Grenzen, wenn es auf Seltene Erden angewandt wird: Nur wenige Bakterien haben die Neigung diese aufzunehmen bzw. mit ihnen zu reagieren. Gleichzeitig entsteht jedoch jeden Tag neuer Elektroschrott, der eine Vielzahl an Seltenen Erden und Edelmetallen beinhaltet und kaum recycelt werden kann. Gleichzeitig sind bisher durchgeführte Recyclingverfahren sehr aufwendig, resourcen- und energieintensiv. (10-12)

In meiner Zukunftsvision gehe ich deshalb noch einen Schritt weiter und habe ein Verfahren entworfen, welches das gezielte Recycling von Seltenerdetallen ermöglicht. Ausgangsmaterial ist sind dabei nicht etwa Erdreste aus dem Bergbau, sondern einzelne Bauteile aus unserer heutigen Technik wie z.B. LEDs, Displays, Akkus oder Magnete, also Elektroschrot. Dafür habe ich mich vor allem an einem Forschungsbericht namens „Rare earths stick to rare cyanobacteria: Future potential for bioremediation and recovery of rare earth elements“ von der Technischen Universität München orientiert und z.B. die dort untersuchten Bakterien in mein Projekt übernommen. (13)

Recherche und Aufnahme der Fotos

Die Recherche für das Verfahren habe ich selbst durchgeführt und es mithilfe von verschiedenen wissenschaftlichen Quellen so nah wie möglich an der biologischen und chemischen Realität konstruiert. Dafür habe ich Dr. Miriam Große getroffen, die als Leiterin der Fermentation beim Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig arbeitet. Hier wird zwar vorrangig an der Kultivierung von Mikroorganismen (hauptsächlich Bodenbakterien und filamentösen Pilzen) zur Produktion von Medikamentenwirkstoffen geforscht, die dafür verwendeten Verfahren überschneiden sich in ihrer grundsätzlichen Funktionsweise jedoch mit denen des Bacterial Leaching.

Miriam zeigte mir bei einem Rundgang in den Laboren der Mikrobiellen Stammsammlung die verschiedenen Prozesse, mit denen Bakterien dazu gebracht werden verschiedene Stoffe wie z.B. Wirkstoffe für Antibiotika herzustellen. Somit konnte ich mein fiktives Biomining-Verfahren mit den Abläufen im Labor abgleichen und auch an einigen Stellen klarer definieren. Schlussendlich stellte sich nach diesen Gesprächen heraus, dass meine Zukunftsvision von einem verbessertem Recycling von Metallen und Seltenen Erden durch Mikroorganismen gar nicht so fiktiv ist, wie ich zu Beginn dachte. Die im Prozess beschriebenen Verfahren könnten in näherer Zukunft (10-20 Jahren) durchführbar sein, da zur Zeit verstärkt in diese Richtung geforscht wird. (14-17).

Medium und Gestaltung

Für die Umsetzung meines Projektes habe ich zunächst an eine Art Bildband bzw. Flyer gedacht, um die von mir aufgenommenen Fotos in den Fokus zu stellen. Dann stieß ich jedoch im Gespräch mit Miriam Große auf das Format des „Scrollytellings“, welches beim HZI vor allem für die Kommunikation der eigenen Forschungsprojekte verwendet wird. Neben der Flexibilität verschiedene Medien miteinander zu kombinieren ermöglicht es zudem auch etwas längere und komplexere Vorgänge und Geschichten zu erzählen, da der Leser/die Leserin im eigenen Tempo rezipieren kann.

Weiterhin wollte ich gerne eine spezifische Perspektive wählen, aus der das biologische Verfahren kommuniziert wird. Deshalb kombinierte ich die kommunikativen Strategien, die in den beiden Projekten „Harvesting the Rare Earth“ und „Tiny Mining“ verwendet werden: So entstand ein fiktives Unternehmen namens „Green Mine Solutions GmbH“, welches das entstandene Verfahren „Microbe Mining“ kommerziell anwendet und so in großen Mengen aus ausgedienten elektronischen Alt-Geräten Seltene Erden und Metalle gewinnt.

Nachdem ich die Fotos am HZI gemacht hatte, finalisierte ich meinen fiktiven Prozess der Microbe Minings und begann ein erstes Konzept auf der Scrollytelling-Anwendung „Shorthand“ aufzubauen. Die Idee war es einen Internetauftritt der fiktiven Firme „GreenMine Solutions“ zu gestalten. Hier soll das Unternehmen ihren Kund*innen und anderen Interessierten den Prozess der neu erforschten Verfahrens zeigen und zugleich einen Einblick in ihre Labore bzw. Produktionshallen ermöglichen.

Da Zugänglichkeit und Kurzweiligkeit bei einem Format für die breite Öffentlichkeit/Nicht-Wissenschaftler*innen ausschlaggebend sind, habe ich besonderen Wert auf die ästhetische Aufmachung der Seite und eine spannende Erzählstruktur der Texte. Mithilfe von dynamischen Animationen, kurzgehaltenen Informationstexten und eindrücklichem Bildmaterial soll es dem Rezipierenden so möglichst einfach gemacht werden dem komplexen Schritten des Verfahren zu folgen.

Alle verwendeten Bilder der Labore und Innenräume innerhalb des Mediums sind von mir aufgenommen worden. Auf Nachfrage habe ich einige Nahaufnahmen von Bakterienarten durch z.B. Rasterelektronenmikroskope aus der internen Bildatenbank des HZI zur verfügung bestellt bekommen mit der Erlaubnis diese innerhalb des Projektes zu verwenden. Die Hintergrundbilder zu Beginn auf denen z.B. Elektroschrott zu sehen ist wurden mit der KI-Bildsoftware Limewire erstellt.

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Reflektion

Nach Abschluss des Projektes habe ich für mich feststellen können, dass mir die Gestaltung wissenschaftlicher Inhalte für die öffentliche Kommunikation großen Spaß gemacht hat. Mit der Anwendung „Shorthand“ bin ich jedoch nicht nicht vollständig zufrieden. Obwohl es eine einfache Möglichkeit ist Webinhalte ohne Vorkenntnisse zu gestalten, gab es meiner Meinung nach zu wenig Freiraum bei der Gestaltung von Text und Bild sowie der Struktur der Internetseite. Hier würde ich für ein mögliches nächstes Projekt eher auf ein anderes Tool zurückgreifen oder die Webseite direkt mit HTML selbst zu gestalten.

Dankeswort

Ein großer Dank geht an das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung GmbH (HZI) und Dr. Miriam Große, die mir einen Blick hinter die Kulissen ermöglicht haben.

Weiterhin gilt mein Dank Susanne Thiele für den Kontakt und die Vermittlung an das HZI, sowie die Bereitstellung von Fotomaterial.