Gallium

Was ist Gallium?

Gallium ist ein silberweißes, leicht zu verflüssigendes Metall. Es handelt sich um ein chemisches Element mit dem Symbol „Ga“ und der Ordnungszahl 31 im Periodensystem der Elemente. Gallium schmilzt bereits bei 29,8 Grad und siedet erst bei 2403 Grad. Damit hat es das größte Flüssigkeitsintervall aller Metalle. Das Technologiemetall weist zudem eine Dichteanomalie auf, da es in flüssigem Zustand dichter ist als in festem. Außerdem ist Gallium die Basis mehrerer piezoelektrischer Verbindungen wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP) und Galliumnitrid (GaN). Hierbei handelt es sich um Materialien, die bei Druck elektrische Ladungen erzeugen. Diese Eigenschaften sorgen für ein immer größer werdendes Einsatzspektrum des Metalls und sind nur schwer bis gar nicht zu substituieren. Gallium, das die Industrie verwenden kann, muss erst aus natürlichen Quellen gewonnen und anschließend durch verschiedene Verfahren gereinigt werden.

Fakten über Gallium

550 Tonnen

Weltjahresproduktion (2022)

2,6 %

Geschätzter Anteil unseres Warenbestandes an der WJP

> 10 % p. a.

Geschätzte Nachfragesteigerung

keine aktuellen Zahlen

Weltweite Reserven

Gallium ist ein kritischer Rohstoff

Das in der EU verwendete Gallium stammt zu 71 % aus China. Wegen der seit 1. August geltenden chinesischen Exportkontrollen für Gallium (und Germanium) besteht die Möglichkeit einer zunehmenden Verknappung dieses kritischen Rohstoffes. Als „kritisch“ gilt ein Rohstoff dann, wenn er strategisch bedeutsam, aber nur endlich verfügbar ist. Laut einer von der Regierung beauftragten Studie von Ernst & Young gehört Gallium zu den 39 kritischen Rohstoffen, bei denen Deutschland von Importen abhängig ist. Um eine eigene Versorgung aufzubauen, braucht Europa dringend eigene Raffinerien und Lieferketten, die außerhalb von China liegen. Diese aufzubauen könnte noch viele Jahre dauern.

Wo kommt Gallium vor?

In der Natur kommt Gallium nur in geringem Umfang vor. Man findet das Metall meist als Beimischung in Aluminium-, Zink- oder Germanium-Erzen. In China, Russland, Kanada und Australien liegen die wichtigsten Fundstellen mit den größten Vorkommen. Der höchste Galliumgehalt findet sich mit über 1 % in den Germaniterzen der Apex-Mine im US-Bundestaat Utah. Das Technologiemetall ist selten in der Erdkruste, etwa 18 Teile pro Million. Damit ist seine Häufigkeit vergleichbar mit der von Lithium und Blei.

Wie wird Gallium gewonnen?

Gallium ist ein Nebenprodukt der Zink- und Aluminiumproduktion und wird durch Extraktion aus den Rückständen dieser Erze gewonnen. Bei der Herstellung aus Aluminium entsteht bei einem mehrstufigen Prozess zunächst Galliumhydroxid vermischt mit Aluminiumhydroxid. Das Gemisch wird dann in einer Natronlauge gelöst und das Gallium durch Elektrolyse gewonnen. Anschließend wird das Gallium raffiniert und für verschiedene Anwendungen in Technologie und Industrie genutzt. Das gesamte Verfahren ist sehr energie- und arbeitsaufwändig. Deshalb wird es nur in Ländern mit geringen Kosten dafür, etwa in China, angewendet.

Wofür wird Gallium hauptsächlich verwendet?

Gallium wird in Schlüsseltechnologien verbaut, die für die Verteidigungsfähigkeit, den Transport, die Kommunikation und das Gesundheitswesen relevant sind. Damit ist es unverzichtbar für die kritische Infrastruktur eines Landes. Konkret zum Einsatz kommt das Technologiemetall in Hochfequenzbauteilen wie integrierten Schaltkreisen und Transistoren sowie in optoelektronischen Komponenten, etwa LEDs. Gallium ist auch ein wichtiger Rohstoff für die Photovoltaiktechnik, etwa als Bestandteil der hoch effizienten CIGS-Solarzelle. Weiterhin spielt Gallium eine Rolle in selbstreparierenden Schaltkreisen und als Kontrastmittel in der Krebstherapie. Darüber hinaus ist das Metall unverzichtbar im Mobilfunkstandard 5G sowie beim Ausbau von Schnellladestationen für Elektroautos.
Auch in der Wasseraufbereitung und der Bekämpfung antibiotikaresistenter Keime kommt Gallium zum Einsatz. In Zukunft wird der Rohstoff in Brennstoffzellen und Energiespeichertechnologien eine wichtige Rolle spielen. Außerdem wird Gallium in innovativen Anwendungen verwendet, beispielsweise als reversibler Klebstoff, der vorübergehend haftet. Die Medizintechnik verbaut das Metall zudem in piezoelektrischen Kleinstrobotern, die für eine verbesserte Beweglichkeit von biologischen Proben sorgen. Mittlerweile ermöglicht Gallium auch den Bau größerer Roboter aus Flüssigmetall, die man für Reparaturen an unzugänglichen Maschinenteilen nutzen kann. Im Video unten sieht man, wie ein Flüssigmetall-Roboter aus Gallium und Neodymoxid, unter einer Gittertür durchfließt und danach wieder seine Gestalt annimmt:

Legierungen, Batterien

Neue Akkus mit Gallium-haltigen Elektroden besitzen eine lange Lebensdauer und eine höhere Energiedichte als herkömmliche Batterien. Die Aufladezeit einer solchen “Flüssigmetall-Batterie bei Raumtemperatur”
ist kürzer als die der bisher in Laptops, Smartphones und Elektroautos vorherrschenden Lithium-Ionen-Akkus.

Mehr dazu hier.

Grüner Wasserstoff

Aus Gallium und Aluminium im Verhältnis 3:1 lässt sich kostengünstig grüner Wasserstoff herstellen. Das fanden Forschende der University of Santa Cruz heraus. Für den Prozess genügt vorhandenes Aluminium aus Dosen oder Deckeln und ungereinigtes Wasser. Man muss keine Energie zuführen, da die Reaktion bei Raumtemperatur stattfindet. Die Methode könnte der Grundstein für eine effizientere Elektrolyse sein.

Computerkühlung

Die Kühlung mit Gallium senkt die Temperatur in Computern und Laptops um bis zu 20 C°. Das ist 10 C° kälter als bei herkömmlichen Kühlsystemen. Programme und Anwendungen mit viel Rechenleistung können so länger und ohne Beeinträchtigung laufen.

Integrierte Schaltkreise

Ohne Gallium würde die heutige Technik nicht aussehen, wie sie ist. Denn kompakte Geräte wie Notepads, Tablets und Smartphones wären ohne integrierte Schaltkreise mit hochfrequenten Transistoren aus Gallium-Arsenid nicht denkbar. Diese sind auch die Basis für militärische Highend-Anwendungen, den 5G-Standard im Mobilfunknetz und die Technik in Elektroautos.

LED

Jede Lichtfarbe entsteht durch andere chemische Stoffe, Gallium ist aber immer wesentlicher Bestandteil. LEDs (Light Emitting Diodes) kommen als Hintergrundbeleuchtung von LC-Displays, als Infrarot-LED in Lichtschranken, in der Optoelektronik und in Signalanlagen zum Einsatz.

Solarzellen

Gallium-Arsenid- und CIGS-Solarzellen sind die effizientesten Modelle in der Dünnschichtphotovoltaik.
Gallium-Arsenid-Solarzellen kommen wegen ihrer hohen Effizienz auch bei schwierigen Lichtverhältnissen wie Satellitenoberflächen zum Einsatz. Die leichten und biegsamen CIGS-Solarzellen sind dafür flexibler, so dass man sie auch auf gerundeten Oberflächen anbringen kann.

Preisentwicklung von Gallium

Basierend auf den beschriebenen vielfältigen Anwendungen und dem steigenden Bedarf an Gallium in verschiedenen wachsenden Märkten wie der Photovoltaiktechnik, Medizintechnik, Mobilfunkstandards wie 5G und Elektromobilität, ist eine langfristige Steigerung der Nachfrage nach Gallium zu erwarten. Diese könnte zu einem Anstieg der Preise für Gallium führen. Insbesondere angesichts der ambitionierten Ziele für erneuerbare Energien und elektrische Mobilität dürfte die Nachfrage nach Gallium langfristig hoch bleiben, was langfristig Chancen auf attraktive Renditen für Investoren verspricht.

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