Ein neues, neodym-dotiertes Material kann Uran aus dem Meerwasser filtern

Während die Welt sich langsam von kohlenstoffbasierten Energiequellen entfernt, werden alternative Energien immer wichtiger. Obwohl Solarenergie, Windkraft und Wasserkraft in diesem Bereich oft im Rampenlicht stehen, ist die Kernenergie immer noch eine starke Konkurrenz. Tatsächlich trug sie im Jahr 2017 etwa 10% zur weltweiten Energieerzeugung bei und im Jahr 2022 wurden 8 GW neue Kernkraftwerke in das globale Stromnetz integriert.

Der Schlüssel zur Kernkraftproduktion ist Uran, ein Element, das nur in wenigen Ländern auf dem Land vorkommt, wo unterirdische Vorkommen weiter abnehmen werden, da sich die Anzahl der Kernkraftwerke erhöht. Aber anders sieht es bei dem Unterwasservorrat aus. Es wird geschätzt, dass sich etwa 4,5 Milliarden Tonnen dieses Elements in den Weltmeeren befinden, im Vergleich zu nur etwa sechs Millionen auf dem Land. Das reicht aus, um weltweit Tausende von Jahren lang Energie zu erzeugen.

Die Rückgewinnung all dieses Urans hat sich jedoch als schwierig erwiesen, da es in Meerwasser in äußerst geringen Konzentrationen vorhanden ist.

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory hatten bereits frühzeitig Erfolg mit fasergefüllten Amidoxim-Chemiegruppen, die eine Affinität für Uran haben. Forscher an der Stanford University fügten später Strom zu den Fasern hinzu und konnten so noch mehr von dem radioaktiven Element ernten. Vor kurzem gelang es dem Pacific Northwest National Laboratory mit einer spezialisierten Art von Acrylgarn, fünf Gramm Yellowcake, eine pulverförmige Form von Uran, aus dem Meerwasser zu gewinnen.

Ein engeres Netz spannen

Dennoch reichen diese Methoden nicht aus, um Uran im industriellen Maßstab zu ernten, was erforderlich wäre, um Kernkraftwerke auf der ganzen Welt zu betreiben. Und die Suche nach einem Material, das Uran einfangen kann, ohne andere meerbasierte Elemente zu ernten, stellte sich als Herausforderung dar.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wandten sich Forscher der Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO), der University of New South Wales und anderen Kollegen den sogenannten Layered Double Hydroxides (LDH) zu. Diese relativ einfach herzustellenden Materialien bestehen aus Schichten von positiv und negativ geladenen Ionen. Das Team dotierte diese LDHs mit verschiedenen Chemikalien wie Neodym, Terbium und Europium, legte sie in Meerwasser ein und analysierte die Ergebnisse mit Hilfe von X-ray Adsorption Spectroscopy.

Die Forscher stellten fest, dass das daraus resultierende Verbindung, wenn Neodym mit LDHs kombiniert wurde, Uran aus Meerwasser viel besser einfangen konnte als zehn andere häufigere Elemente. Dazu gehören Natrium, Calcium, Magnesium und Kalium, die in Mengen vorhanden sind, die etwa 400 Mal größer sind als die des Urans. Nach Ansicht der Forscher sollte diese Selektivität sowie die geringen Kosten für die Herstellung des dotierten LDH-Materials dazu beitragen, dass die großflächige Gewinnung von Uran aus Meerwasser wahrscheinlicher wird.

"Diese Ergebnisse zeigen, dass das Dotieren von LDHs eine einfache, effektive Methode zur Kontrolle der Selektivität und zur Herstellung von Adsorbentien ist, die herausfordernde Trennungen wie die Uranextraktion aus Meerwasser ermöglichen", schrieben die Forscher in der Studie, die als Titelgeschichte in der Zeitschrift Energy Advances veröffentlicht wurde.