Biomining, ein modifiziertes Virus gewinnt Seltene Erden aus Minen.

Ihr Smartphone enthält Seltenerdelemente: Das wussten Sie sicher schon, oder? Genauso wie Ihr Kühlschrankmagnet. Und auch der Motor Ihres Elektroautos ist voll davon. Es gibt 17 Elemente mit unaussprechlichen Namen (Lanthan, Neodym, Dysprosium usw.) und einzigartigen Eigenschaften. Ohne sie gerät die Energiewende ins Stocken. Das Problem ist, dass ihre Gewinnung aus Gesteinen Behälter mit giftigen Säuren erfordert, die Ökosysteme in Wüsten verwandeln. Was wäre, wenn ich „Biomining“ sage?

An der UC Berkeley gibt es eine Gruppe von Forschern, die beschlossen haben, etwas völlig anderes auszuprobieren. Sie haben ein Virus verändert. Man könnte es als eine Art programmierbaren, mikroskopischen Schwamm bezeichnen. Gibt man es in das Abwasser einer Mine, filtert es gezielt Seltene Erden heraus und ignoriert alles andere. Beim Erhitzen sinkt die Lösung zu Boden und nimmt die wertvollen Stoffe mit. Anschließend kann man sie wiederverwenden – wie einen unsichtbaren Arbeiter, der kostenlos arbeitet, sich nie beschwert und nicht einmal eine Kaffeepause braucht.

Ein Bakterium, zwei Proteine, null Toxine

Der Protagonist der Geschichte (auch bekannt als „der Prinz des Biomining“) ist ein Bakteriophage, ein Virus, das nur Bakterien befällt und für Menschen völlig harmlos ist. Seung Wuk LeeEin Bioingenieurprofessor in Berkeley hat 20 Jahre damit verbracht, diese Viren in nanotechnologische Werkzeuge umzuwandeln. Für Seltene Erden fügte er der Oberfläche des Phagen zwei spezielle Proteine ​​hinzu. Das erste heißt Lanthanid-bindendes Peptid und es handelt sich um eine Art molekulare Klaue, die speziell dafür kalibriert ist, nur Seltenerdelemente zu greifen. Die zweite, ElastinmotivpeptidDer Schalter ist folgender: Wenn man die Lösung erhitzt, verklumpt das Virus und fällt aus.

Der Prozess funktioniert folgendermaßen: Man nimmt das saure Wasser aus den Minen (dessen Entsorgung normalerweise problematisch ist), gibt die modifizierten Viren hinzu und wartet, bis diese sich an die Seltenerdionen anlagern. Dann erwärmt man die Lösung leicht. Die Viren aggregieren und sinken zu Boden. Man lässt die Flüssigkeit ab, passt den pH-Wert an, und die Viren setzen die reinen Metalle frei. Sie benötigen lediglich einen Mischbehälter und eine Heizplatte.

China hat ein Monopol, aber das könnte nicht von Dauer sein.

Schauen wir uns nun die Zahlen an. in 2023China förderte 240.000 Tonnen Seltenerdmetalle und verarbeitete 189.179 Tonnen davon. Dies entspricht 70 % der weltweiten Rohstoffgewinnung und 87 % der Raffination. Kurz gesagt: Wenn Peking beschließt, den Geldhahn zuzudrehen, Die globale Lieferkette ist blockiertEs handelt sich nicht nur um ein wirtschaftliches, sondern auch um ein geopolitisches Problem. Die Vereinigten Staaten produzieren zwar genügend Seltene Erden im eigenen Land, verfügen aber nicht über die Kapazitäten, diese zu verarbeiten: Sie müssen sie nach China exportieren und dann zurückkaufen.

Die Biomine von Viren könnte die Situation verändern. Kann ein Land Seltene Erden aus seinem Grubenwasser gewinnen, ohne riesige Chemieanlagen errichten zu müssen, wird es unabhängiger von internationalen Lieferketten. Der Bau milliardenschwerer Raffinerien ist überflüssig. Man züchtet einfach Viren in einem Bioreaktor (Bakterien vermehren sich selbstständig, sobald man sie infiziert) und schon hat man seine „Arbeitskräfte“ parat.

Biomining, nicht nur in Minen: sogar in Ihrem alten iPhone

Lee und sein Team sehen das System über die Minenentwässerung hinausgehend. E-Schrott (ElektronikschrottSmartphones, Laptops, Fernseher – sie alle enthalten Spuren dieser wertvollen Metalle. Das Problem: Ihre Gewinnung mit herkömmlichen Methoden ist teurer als ihre Herstellung. Modifizierte Viren könnten diese Kostenrechnung verändern.

Stellen Sie sich vor, man nehme die Motherboards von tausend ausrangierten Handys, zerkleinere sie, löse sie in einer wässrigen Lösung auf und verwende dann Viren, um gezielt die Seltenen Erden herauszufiltern, während alles andere zurückbleibt. Laut der in [Jahr einfügen] veröffentlichten Studie … Nano-BuchstabenDas System bleibt auch nach mehreren Zyklen wirksam. Dies bedeutet, wie bereits erwähnt, dass dieselbe Virencharge wiederholt eingesetzt werden kann, ohne an Wirksamkeit zu verlieren.

Aber funktioniert das wirklich im großen Maßstab?

Das ist die Frage, die wir uns alle stellen: Denn es ist eine Sache, einen Prozess in einem Labor mit Reagenzgläsern und Pipetten durchzuführen, aber eine ganz andere, Anlagen zu bauen, die täglich tonnenweise Material verarbeiten.

Lee ist optimistisch: Er sagt, Viren ließen sich industriell leicht züchten, da sie sich nach Zugabe zu Bakterien automatisch vermehren. Eine chemische Synthese sei nicht jedes Mal nötig.

Doch es gilt auch, Hindernisse zu überwinden: Das System muss mit realem Abwasser funktionieren, das Hunderte verschiedener Verbindungen enthält, nicht nur Seltenerdelemente. Die Selektivität des Virus muss auch unter schwierigen und wechselnden Bedingungen erhalten bleiben, ohne beeinträchtigt zu werden. Und dann ist da noch die Frage des Volumens: Reicht wirklich ein einfacher Mixer und ein Herd aus, oder sind komplexere Geräte erforderlich? Forscher der Cornell University und des Lawrence Livermore National Laboratory arbeiten an ähnlichen Varianten und testen verschiedene Bakterien und alternative Proteine. Wettbewerb beschleunigt den Fortschritt.

Biomining – die Ironie der „seltenen“ Erden, die gar nicht so selten sind.

Ein Detail, das viele ignorieren: Seltene Erden sind gar nicht selten. CerBeispielsweise ist es in der Erdkruste häufiger als Kupfer. Das Problem ist nicht die Knappheit, sondern die Konzentration. Diese Elemente sind überall verstreut zu finden. aber niemals in Mengen, die eine bequeme Entnahme ermöglichen. Traditionelle Bergwerke Sie müssen tonnenweise Gestein bewegen, um wenige Kilogramm reines Metall zu gewinnen. Dabei hinterlassen sie Becken mit radioaktivem Abfall (Seltene Erden kommen oft zusammen mit Thorium und Uran vor).

Biomining umgeht das Problem. Man muss keine extrem ergiebigen Lagerstätten finden. Alles, was man braucht, ist Wasser mit nur 50–300 Mikrogramm Seltenerdelementen pro Liter (was typischerweise in Kohle- oder anderen Metallminen vorkommt), und das Virus erledigt den Rest. Es ist wie Fischen mit einem ultrafeinen Netz, das nur die gewünschten Fische fängt und alles andere durchlässt.

Lithium, Kobalt, Quecksilber: Das Virus breitet sich weiter aus

Lee erklärte, dass durch die Modifizierung der „genetischen Anweisungen“ des Virus (d. h. durch die Veränderung der Proteine, die es auf seiner Oberfläche exprimiert) die gleiche Arbeit auch mit anderen kritischen Metallen durchgeführt werden kann. Lithium und Kobalt für Batterien, Platingruppenmetalle für Katalysatoren oder sogar zur Entfernung giftiger Metalle wie Quecksilber und Blei aus kontaminierten Wasserquellen.

Das Team aus Berkeley hat bereits gezeigt, dass der gleiche Ansatz funktioniert mit Aktiniden (radioaktive Elemente), mit noch besserer Selektivität als bei Seltenen Erden. Es könnte sich zu einem Instrument für die Umweltsanierung entwickeln: Man entnimmt Wasser aus einem verlassenen Bergwerk, das mit Metallverunreinigungen belastet ist, leitet die passenden Viren hindurch und gewinnt so wertvolle Metalle zurück, während gleichzeitig die Umwelt gereinigt wird. Zwei Fliegen mit einer Klappe! Okay: Es klingt komisch, wenn man es so sagt.

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Die eigentliche Bewährungsprobe wird sein, ob ein Unternehmen den Mut hat, die erste Pilotanlage zu bauen. Die Technologie ist vorhanden. Viren funktionieren. Jetzt brauchen wir jemanden, der bereit ist, darauf zu wetten, dass ein modifiziertes Bakterium tatsächlich Tonnen von Schwefelsäure und Behälter mit radioaktivem Abfall ersetzen kann. Bis dahin sind wir weiterhin auf industrielle Prozesse angewiesen, die eher an mittelalterliche Alchemie als an Technologie des 21. Jahrhunderts erinnern.

Nur dass Alchemisten die Flüsse nicht verschmutzten.