Drohnen machen Jagd auf seltene Erden
Die Elektronik-Branche benötigt dringend Rohstoffe, doch so manches Vorkommen lässt sich vom Boden aus kaum entdecken. Eine Lösung haben Wissenschaftler im Blick: Drohnen mit modernster technischer Ausstattung.
Seltene Erden sind begehrt. Mit Drohnen könnte man neue Vorkommen erschließen.
Foto: panthermedia.net/Antoine2K
Ohne sie läuft im wahrsten Sinne des Wortes nichts: Seltene Erden sind in Elektroautos, Windkraftanlagen, Computern aller Art, Smartphones und Displays zu finden. Schätzungsweise 120 Millionen Tonnen an Oxiden seltener Erden soll es weltweit noch geben, schätzt die US-amerikanische Geological Survey (USGS). Die wichtigsten Vorkommen liegen in China (44 Millionen Tonnen), Brasilien und Vietnam (je 22 Millionen Tonnen) sowie in Russland (12 Millionen Tonnen). Weltweit werden pro Jahr 210.000 Tonnen gefördert (2019). Zehn Jahre zuvor waren es nur 124.000 Tonnen.
Mineralische Ressourcen werden immer knapper und sind immer schwerer zu finden. Meist sind umfangreiche, teure und auch wenig umweltfreundliche Erkundungen vor Ort. Nach der geologischen Forschung müssen Proben noch ins Labor geschickt und analysiert werden. Das kostet Zeit. Doch der Bedarf wächst. Ingenieure am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hatten eine Idee. Sie statten Drohnen mit speziellen Kameras aus, um anhand von Spektraldaten Ressourcen mit seltenen Erden zu identifizieren.
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Mit Spektraldaten auf der Spur von seltenen Erden
„Das Gebiet der Explorationstechnologien entwickelt sich derzeit rasant“, erzählt René Booysen, Wissenschaftlerin am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. „Wir setzen auf Drohnen mit Hyperspektralsensoren, um seltene Erden an der Erdoberfläche zu erfassen.“ Ihr Verfahren hat mehrere Vorteile: Große Gebiete lassen sich in vergleichsweise kurzer Zeit erkunden – selbst wenn diese aufgrund geologischer Einschränkungen schwer zugänglich sind. Und nicht zuletzt ist der Ansatz ökologisch akzeptabler, verglichen mit Erkundungen vor Ort.
Ein Blick auf die Technik: Das Team um Booysen machte sich eine spezielle Eigenschaft von Lagerstätten zunutze. Neodym, ein wichtiges Element der seltenen Erden, absorbiert elektromagnetische Wellen im Bereich des sichtbaren bis nahen Infrarotlichts charakteristisch. Es kann deshalb als Schlüsselelement bei explorativen Arbeiten herangezogen werden. In der Praxis arbeiten Ingenieure mit der reflektierenden Spektroskopie. Das Verfahren wird auch Hyperspectral Imaging oder HSI genannt und ist per se nicht neu. Hyperspektralsensoren wurden schon an Flugzeugen oder an Satelliten befestigt, um beispielsweise aufgrund von Reflexionseigenschaften die Vegetation oder Bodenformationen zu erfassen. Sie arbeiten mit Wellenlängen vom ultravioletten Bereich bis zum langwelligen Infrarot. Doch die Ingenieure aus Rossendorf hatten noch eine weitere Idee.
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Erkundung unwegsamer Gelände per Drohne
„Wir verwenden zwei Arten von Drohnen: einen Starrflügler zur schnellen Erfassung photogrammetrischer Daten als Grundlage für digitale Oberflächenmodelle und einen Multikopter für die HSI-Erfassung“, erzählt Booysen. Mit dem Starrflügler machten die Wissenschaftler sogenannte Nadir-Stereobilder. Nadir steht in der Geometrie, speziell in der Himmelsgeometrie, für den Fußpunkt gegenüber dem Zenit. Eine Kamera fertigte Schnappschüsse unter diesem Winkel an, und zwar im Bereich des sichtbaren Lichts mit den drei Bändern Rot, Grün und Blau (RGB). Ziel der Aufnahmen war, dreidimensionale Informationen über Geländestrukturen zu gewinnen. Daraus entstand ein Netzwerk aus Bodenkontrollpunkten. Die Drohne selbst, ein handelsübliches Modell, trägt den HSI-Sensor.
Soweit die Theorie. Um ihre neue Erkundungstechnik auch unter Praxisbedingungen zu testen, wählten die Forscher Regionen aus, in denen Mineralien mit seltenen Erden theoretisch vorkommen könnten. Dazu gehörte der Alkali-Karbonatit-Komplex Marinkas Quellen im Süden Namibias. Er lässt sich größtenteils nicht per Auto durchqueren, was ihn für neue Technologien interessant macht. Auch die geologischen Formationen mit Carbonaten, Phosphaten und Oxiden stellen ein realistisches Szenario dar. Hinzu kam ein Areal in der Gegend von Siilinjärvi, Finnland, nahe dem Polarkreis. Dort sind Karbonatite als wichtige Mineralien zu finden. In beiden Gegenden wählten die Forscher jeweils 10.000 Quadratmeter für ihre Untersuchungen aus.
Sie erfassten von der Luft aus sowohl spektroskopische als auch räumliche Daten der Areale. Außerdem war ein Team vor Ort, um Proben zu nehmen – teilweise für die Analyse vor Ort mit einem Kurzwellen-Infrarot-Feldspektrometer, teilweise auch für die nasschemische Untersuchung im Labor. Ziel war, die Fernerkundung zu evaluieren – mit Erfolg: „Unsere Lösung bietet den Vorteil schneller Durchlaufzeiten, niedrigschwelliger Erkennungsgrenzen und ist ideal zur Unterstützung aktiver Erkundungsarbeiten geeignet“, fasst Booysen zusammen.
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