Steigerung der Lithium- und Mineralienextraktionseffizienz mit künstlichen Seerosenblättern

Eine Alternative zum Bergbau für Mineralien

Wenn es darum geht, die Schlüsselminerale zu produzieren, die die Industrien der Welt versorgen, gibt es im Grunde nur 3 mögliche Quellen: den Abbau von Gestein, das Recycling und die Aufbereitung gelöster Mineralien. Für Materialien wie Eisen und Aluminium sind traditionelle Bergwerke die Hauptlieferanten, wobei das Recycling ebenfalls beiträgt.

Bei Materialien wie Lithium jedoch ist eine der Hauptquellen Sole, mineralreiche Gewässer, die verdampft werden müssen, um die darin enthaltenen Mineralien zu sammeln. Eine ähnliche Methode wird häufig bei der Herstellung der beiden wichtigsten Düngemittel: Nitrate und Kali verwendet.

Diese Methode erfordert massive Verdunstungsbecken, die Tausende von Hektar bedecken und eine erhebliche Umweltbelastung für die lokalen Ökosysteme darstellen.

Quelle: SQM

Bisher wurde dies ausschließlich durch die Sonnenstrahlen erreicht, die die Becken erwärmen und das Wasser verdampfen lassen. Das ist bei weitem kein effizienter Prozess, weshalb solch massive Flächen erforderlich sind.

Dies könnte sich gerade ändern, dank eines neuen Materials, das die Verdunstung beschleunigen könnte und von Forschern der Princeton University in Zusammenarbeit mit dem Lithiumproduktionsriesen Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ) entwickelt wurde.

Sie veröffentlichten ihre Erfindung in Nature Water¹ unter dem Titel „Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining“.

Massenproduktion von Lithium

(Nicht so nachhaltige) Grüne Energie

Wenn Lithium nicht aus Gestein (Spodumen-Vorkommen) gewonnen wird, findet man es hauptsächlich in mineralischen Sole, gemischt mit anderen Salzen und gelösten Mineralien. Die Sole wird überwiegend aus Grundwasser gewonnen oder durch Auslaugen von lithiumreichen Ablagerungen mit Frischwasser erzeugt.

Derzeit werden weltweit Zehntausende Hektar Solarbecken für die Lithiumgewinnung genutzt, wobei Chile 6.000 Hektar (14.800 Acres) besitzt.

Diese Methode übt extremen Druck auf die Wasserversorgung dieser Regionen aus. Noch schlimmer ist, dass lithiumreiche Gebiete in der Regel Wüsten sind, weshalb Lithium zunächst in wirtschaftlich rentablen Lagerstätten konzentriert ist. Daher könnte das begrenzte verfügbare Wasser vollständig in die Lithiumindustrie umgeleitet werden, was lokale Ökosysteme und Gemeinschaften gefährdet.

Energieverbrauch

Diese Verdunstungsbecken sind ein Verfahren, um Solarenergie „kostenlos“ zu nutzen. Sie stellen eine überlegene Alternative zu elektrischen Verfahren dar, wie mechanische Dampfkompression oder ultrahochmoderne Umkehrosmose.

Obwohl sie wahrscheinlich ökologischer sind, wären diese elektrischen Methoden in großem Maßstab nicht umsetzbar. Beispielsweise nutzen die chilenischen Verdunstungsbecken allein 65 TWh Solarenergie, was über 70 % der gesamten Jahresproduktion Chiles (~90 TWh pro Jahr) entspricht.

Ein erhebliches Problem besteht darin, dass die Verdunstungsbecken‑Methode trotz ihrer geringen Kosten weit von einer effizienten Lösung entfernt ist. Weniger als die Hälfte der Solarenergie wird in thermische Energie umgewandelt, die zur Verdunstung beiträgt.

Hier kommt die Erfindung der Princeton‑Forscher ins Spiel.

Dünger

Nicht nur Lithium, sondern auch Dünger können über Verdunstungsbecken hergestellt werden. Bemerkenswert ist, dass SQM jährlich 1,5 Millionen Tonnen Nitratsalze aus Caliche-Erz und Salar‑Solen produziert.

Quelle: SQM

Dies ist Teil einer komplexen chemischen Mischung, die SQM aus Sole extrahiert, darunter Lithiumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumchlorid, Borsäure und Kaliumsulfat. Das Kalium wird anschließend damit gemischt, um Kaliumnitrat zu bilden.

Obwohl es im Vergleich zum direkten Abbau oder zur Synthese stickstoffbasierter Dünger mittels Erdgas (Haber‑Bosch‑Verfahren) keine bedeutende Düngemittelquelle darstellt, ist dies ein weiterer umweltbelastender Produktionsprozess, der durch effizientere Verdunstungsbecken verbessert werden könnte.

Optimierung der Verdunstung

Frühere Entdeckungen

Die neueste F&U‑Arbeit zur Steigerung der Effizienz von Verdunstungsbecken baut auf früheren Arbeiten derselben Forscher und anderer Akteure in diesem Bereich auf. Sie hatten an dem Phänomen der interfacialen Solarverdunstung (ISE) gearbeitet.

Das Kernkonzept von ISE besteht darin, ein stark lichtabsorbierendes Material zu verwenden, das fast 100 % der Sonnenstrahlung einfängt und gleichzeitig das salzige, mineralreiche Wasser absorbiert.

Quelle: ResearchGate

Zusätzlicher Fortschritt wurde auch erzielt, um Salzansammlungen und Kristallisation zu vermeiden, die die Effizienz im Laufe der Zeit verringern würden, insbesondere Verbesserung des Salzrückflusses, Janus‑Strukturgestaltungen und gerichtete Kristallisation.

Eine öffentlich-private Partnerschaft

Diese Arbeit wurde im Rahmen des START‑Innovators‑Programms der Universität durchgeführt. Das Programm, eine Kombination aus akademischem Stipendium und Startup‑Accelerator, ermöglichte den Forschern, ihre Technologie weiterzuentwickeln, einen Geschäftsplan zu erstellen und Frühphasen‑Unternehmen aufzubauen.

„Die Schaffung eines Ökosystems, in dem unsere Fakultät und Forscher ihre Technologien effektiv in den kommerziellen Sektor übertragen können, ist eine Kernaufgabe des Office of Innovation.“

Craig Arnold – Vize‑Dean für Innovation und Universitäts‑Innovationsbeauftragter.

Dieser Ansatz zielt darauf ab, den Technologietransfer von Laborideen zur industriellen Skalierung zu beschleunigen und die technischen Fähigkeiten der akademischen Forscher besser in praktische Anwendungen zu übersetzen.

„Was wir mit Forschern wie Professor Ren und seinem Team erreichen können, ist, ihre Denkweise zu ihren Ideen neu zu lenken. Unser Ziel ist es, die Perspektiven der Teilnehmenden radikal zu verändern, sodass sie unser Programm mit einer völlig anderen Sichtweise verlassen, als sie eingetreten sind.

Wir stellen ihnen komplexe Fragen, die möglicherweise außerhalb des traditionellen Forschungsrahmens liegen, aber entscheidend dafür sind, akademische Innovationen in erfolgreiche Ergebnisse zu übersetzen.“

Nena Golubovic – Direktorin des Design‑for‑Impact‑Programms in Wissenschaft und Ingenieurwesen.

Dies scheint funktioniert zu haben, da die Technologie von „kleinen Prototypen in Kinder‑Schwimmbecken“ zu Tests von marktreifen Produkten in Mineralproduktionsanlagen in Südamerika in weniger als 2 Jahren übergegangen ist.

„Princeton stellte die Grundlage, das Ökosystem und die Ressourcen bereit, die uns die Fähigkeiten und das Wissen vermittelt haben, die wir benötigen, um als kleines Unternehmen erfolgreich zu sein.“

Sean Zheng – CEO von Princeton Critical Minerals (ehemals PureLi).

Steigerung der Effizienz

Während der vorherige Prototyp Holz als wassertragendes Material nutzte, erfanden die Forscher verdrehte Cellulose‑Faser‑Kristallisierer. Diese ermöglichen nicht nur eine schnelle Wasserverdunstung, sondern auch eine räumlich getrennte Kristallisation für die selektive Lithiumrückgewinnung.

Sie setzten zudem proprietäre Beschichtungen für unsere kohlenstoffbasierten Materialien ein, die schnelle Verdunstung, Mineraltrennung und Antifouling‑Eigenschaften ermöglichen.

Das Startup Princeton Critical Minerals testete seinen ersten Prototypen in einem realen Lithium‑Verdunstungsbecken, das SQM gehört und wie ein Seerosenblatt an der Wasseroberfläche schwimmt.

Quelle: ResearchGate

Bei Beobachtung mit einer Wärmebildkamera ist deutlich, dass die Wasseroberfläche deutlich heißer ist, insbesondere in einer speziellen Zone des künstlichen Seerosenblatts. Das Design erwies sich als fähig, 96 % der Solarenergie in thermische Energie umzuwandeln, verglichen mit einer Effizienz von 50 % bei offenen Becken.

Quelle: ResearchGate

Dies verbesserte insgesamt die Verdunstungsrate radikal, die im Durchschnitt verdoppelte (40–122 % Steigerung, abhängig von den Solekonzentrationen). Außerdem reduzierte es den Wasserverlust am Boden des Beckens stark, da der Prozess wesentlich schneller ablief.

Quelle: ResearchGate

Weitere Forschung

Die Daten der Wärmebildkamera zeigten, dass die künstlichen Seerosenblätter die Sonnenwärme an der Oberfläche des Beckens halten, wo sie tatsächlich Verdunstung bewirkt, anstatt sie am Boden zu verlieren.

Da die Temperatur die Löslichkeit von Mineralien beeinflusst, könnte eine weitere Feinabstimmung der Temperatur an der Oberfläche der Seerosenblätter die Lithiumproduktion noch weiter verbessern.

„Diese Fragen entstanden erst, als wir die Ergebnisse der Feldtests sahen. Hätten wir unsere Arbeit im Labor belassen, wären diese neuen Richtungen möglicherweise nie aufgekommen.“

Z. Jason Ren – Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen

Ein weiterer Schritt wird sein, die Massenproduktion der künstlichen Seerosenblätter zu starten und die Wirtschaftlichkeit des Geräts sowie mögliche langfristige Geschäftsmodelle für Princeton Critical Minerals zu untersuchen.

Lithiumverdampfungsunternehmen

SQM ist das weltweit zweitgrößte Lithiumbergbauunternehmen, mit Anlagen in Chile, wobei Lithium den Großteil des Geschäfts ausmacht. Es ist zudem Marktführer bei der Produktion von natürlichem Kali­nitrat und verkauft Spezialchemikalien wie Iod, Kaliumchlorid, Borsäure und Magnesiumchloride.

Quelle: SQM

Im April 2023 musste das Unternehmen einen Schritt Chiles bewältigen, der eine teilweise Verstaatlichung der nationalen Lithiumindustrie droht. Nach dem ersten Schock klärten weitere Details des Plans, dass das Land weiterhin ausländische Privatinvestitionen anziehen will.

Konkret verhandelt das nationale Lithiumunternehmen Coldeco einen Vertrag mit SQM neu, und weitere Lithiumvorkommen werden zur Ausbeutung angeboten. Der bestehende Vertrag wird jedoch weiterhin respektiert und läuft bis 2030.

Da die Verhandlungen noch laufen, stehen nur wenige Informationen zur Verfügung, und es ist schwer, die langfristige Zukunft von SQM vorherzusagen. Dennoch ist Chile ein Land, das stark vom Bergbau für seine Wirtschaft abhängt, und die anfängliche Gegenreaktion gegen die Verstaatlichungspläne, die nicht nur das Vertrauen in Lithium, sondern in den gesamten Bergbau beeinträchtigt, hat die Regierung gezwungen, ihre Ambitionen (vorerst) zu begrenzen.

Die Drohung einer Verstaatlichung wurde von einem anhaltenden Rückgang der internationalen Lithiumpreise gefolgt, was zu einem Rückgang des Aktienkurses des Unternehmens führte, der von seinem Höchststand Ende 2022 abwärts ist.

Quelle: Carbon Credit

Lithium hatte ein Umsatzvolumenwachstum (+13 %), deutlich niedrigere durchschnittliche Verkaufspreise im Jahresvergleich (-41 %) im 4. Quartal 2024 gegenüber 4. Quartal 2023

Infolge der niedrigen Lithiumpreise hat das Unternehmen 2024 proportional deutlich mehr Einnahmen aus anderen Produkten erzielt als zuvor, wobei Iod für 39 % des Bruttogewinns verantwortlich ist.

Quelle: SQM

Dies kann entweder das tatsächliche Risiko des Unternehmens widerspiegeln oder als Chance gesehen werden, Investoren zu gewinnen, die bereit sind, das Risiko einzugehen und eine solide Dividendenrendite zu erzielen.

Wie bei allen Lithiuminvestitionen werden Investoren mit dem EV‑Umfeld (Nachfrage und das Potenzial innovativer Chemie wie Natrium‑Ion‑Batterien, die kein Lithium verwenden) vertraut sein wollen und erwarten, dass die hohe Volatilität der Lithiumpreise in absehbarer Zukunft anhält, selbst wenn weitere Abwärtsrisiken bereits teilweise eingepreist sind.

Weitere Informationen zu Lithium und Batterien finden Sie in unseren Artikeln “Is Lithium Demand Set to Plummet with New Sodium-Ion Batteries?”, “Does Arkansas Hold the Answer to Our Lithium Needs?” und “Investing in Nobel Prize Achievements: Lithium-Ion Batteries To Power The World”.

Neueste Informationen zu Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

^{Studienreferenzen:}

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. et al.(2025). Interfazielle Solarverdampfung für nachhaltiges Solebergbau. NatureWater 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}