Germanium ist ein dem Silizium nicht unähnliches Halbmetall mit einer seltenen Dichteanomalie. Wenn man es über seinen Schmelzpunkt erwärmt, steigt seine Dichte um 4 % an, erstarrt es, dehnt sich sein Volumen um 6 % aus. Interessanterweise ändert sich beim Erwärmen auch seine Leitfähigkeit, was Germanium zu einem gefragten Halbleitermaterial macht. Germanium steht auf Platz 53 der Rangliste der am häufigsten vorkommenden Elemente. So gesehen ist das Halbmetall kein wirklich seltenes Element. Trotzdem steht Germanium auf der EU-Liste der weltweit kritischen Rohstoffe, weil es essenziell für Schlüsseltechnologien ist.
Was ist Germanium?
Fakten über Germanium
140 Tonnen
0,7%
3–5 % p. a.
14.000 Tonnen nach U. S. Geological Survey
Wo kommt Germanium vor?
Die Verfügbarkeit von Germanium ist mager. Durch die relativ gleichmäßige Konzentration im Erdreich (Durchschnittsgehalt in der Erdkruste ca. 1,5 Gramm/Tonne) lässt es sich nur an wenigen Stellen auf der Welt wirtschaftlich fördern. Die reichsten Vorkommen an Germanium gibt es in Russland und China, in letzterem finden auch 70 % der notwendigen Verarbeitung statt. Germanium kommt natürlich in Sulfit vor, höhere Konzentrationen lassen sich zumeist als Begleiter in Kupfer- und Zink-Erzen finden.
Wie wird Germanium zukünftig gewonnen?
Eine Lösung, dem Rohstoffmangel der Zukunft zu begegnen, soll Phytomining (Bergbau mit Pflanzen) sein. Germanium ist in geringen Spuren nahezu überall im Erdreich vorhanden. Manche Pflanzen haben die Eigenschaft, diesen Stoff in ihrer Pflanzenmasse anzureichern. Aus der abgeernteten Biomasse lässt sich über diverse chemische Verfahren dann wieder das reine Metall generieren.
Wofür wird Germanium hauptsächlich verwendet?
Germanium ist in verschiedenen Wachstumsmärkten von entscheidender Bedeutung. Es ermöglicht autonomes Fahren durch optische Komponenten für Radarsensoren, Infrarotkameras und Laser, wodurch das Fahrzeug „sieht“. Zudem spielt es eine Schlüsselrolle in der Internetentwicklung durch die Herstellung von Glasfasern für schnelle Lichtwellenübertragung. In der Energiespeichertechnik ersetzt Germanium-basiertes Festelektrolyt herkömmliche Batterieelektrolyte, was die Sicherheit erhöht und den Absatz von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge steigert. Auch in Quantenpunkt-Solarzellen und der Datenspeichertechnik zeigt Germanium vielversprechende Anwendungen für effiziente Energieumwandlung und leistungsfähigere Computer. Germanium-Zinn-Transistoren zum Beispiel ersetzen derzeit solche aus Silicium und sind Basis für High-Performance-Chips und Quantencomputer. Auch in militärischen Anwendungen kommt Germanium zum Einsatz. Es befindet sich in Nachtsichtgeräten, Zielfernrohren und Radarsystemen. Außerdem ist es wesentlicher Bestandteil von Halbleiter-Chips, die in verteidigungsrelevanten Computersystemen, etwa für Raketenabwehr, verbaut werden.
Medizinsektor
Germanium wird in der Bildgebung und Diagnostik im medizinischen Bereich hauptsächlich für die Herstellung von Detektoren genutzt, die in Röntgengeräten und Szintigraphie eingesetzt werden. Als Halbleitermaterial ermöglicht Germanium die Entwicklung von hochempfindlichen Detektoren für Röntgenstrahlen. Diese Detektoren erfassen die durch den Körper absorbierten oder durchgelassenen Röntgenstrahlen und wandeln sie in elektrische Signale um. Diese Signale werden dann verwendet, um detaillierte Bilder von Geweben und Organen zu erzeugen. Durch seine Fähigkeit, Infrarotstrahlen zu absorbieren ermöglichte Germanium zudem Fortschritte bei der Entwicklung lichtbasierter Diagnosegeräte.
Quantenpunkt - Solarzellen
Germanium spielt auch bei der Entwicklung der eventuell leistungsstärksten Solarzelle eine entscheidende Rolle. Quantenpunkt-Solarzellen nutzen einen großen Teil des Lichtspektrums und könnten spektakuläre Wirkungsgrade erreichen, vor allem bei niedrigen Lichtintensitäten. Indem sie die Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials beeinflussen, können sie Photonen mit niedriger Energie effizienter einfangen und in Elektrizität umwandeln. Erst seit 2010 wird an dieser Technologie geforscht und trotzdem sind die Fortschritte enorm.
Energiespeichertechnik
Für den Elektroautomobilmarkt ist entscheidend, dass die Energiespeichertechnologie signifikant verbessert wird, um einen bedeutenden Aufschwung zu erleben. Dies würde zu dramatischen Steigerungen der Produktionszahlen führen. Ein Meilenstein wurde im Sommer 2015 vom MIT und Samsung erreicht: Sie entwickelten eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem Festelektrolyt auf Germaniumbasis, das Brände verhindert und hunderttausende Ladezyklen übersteht. Diese Innovation löste einen anhaltenden Trend aus. Im Jahr 2021 stieg der deutsche Absatz von Lithium-Ionen-Batterien um 63 Prozent, angetrieben durch Elektromobilität und Energiespeicherung.
Glasfaserkabel
Die hohen lichtbrechenden Eigenschaften des Germaniumdioxides ermöglichen auch ein schnelles Internet. Germaniumdioxid wird zur Herstellung von Glasfasern für die Lichtwellenleitung benutzt. Glasfaserkabel werden weltweit mit stark steigender Geschwindigkeit verbaut. Vorsichtige Schätzungen gehen von weltweit 700 Millionen Kilometern verbauter Glasfaserkabel allein im Jahr 2030 aus.
Polymerisationskatalysatoren
Germanium in Polymerisationskatalysatoren verbessert deren Effizienz und Präzision. Als Co-Katalysator in der Olefin-Polymerisation ermöglicht es die Produktion von hochwertigen Kunststoffen mit spezifischen Eigenschaften. Germanium unterstützt die Aktivität des Hauptkatalysators und steuert die Polymerisationsrate, was entscheidend für die Kontrolle der Polymerstruktur und -dichte ist. Die dadurch produzierten Kunststoffe begegnen uns im Alltag in Form von Folien und Plastikflaschen aus Polyethylen.
Infrarotoptik
Germanium macht das selbstfahrende Auto erst möglich. Radarsensoren, Infrarot-/Wärmebildkameras und spezielle Laser sind wichtige Bausteine, die ein Auto „sehend“ machen. Mit ihrer Hilfe funktionieren automatische Abstandssysteme, Ampel- und Straßenschilderkennung sowie die dreidimensionale Umgebungswahrnehmung. Das geschieht unabhängig von der Witterung und davon, ob es Tag oder Nacht ist. Diese technische Errungenschaft wäre nicht möglich ohne das für Infrarotlicht transparente Germanium. Infrarotoptik spielt auch bei militärischen Anwendungen wie Nachtsichtgeräten und Zielfernrohren eine zentrale Rolle. Eine zeitgemäße Verteidigung ohne Germanium ist kaum denkbar.
Germanium-Zinn-Transistoren
Hersteller moderner Computer-Transistoren setzen wieder auf das schon in den 70er Jahren genutzte Germanium. Silizium hatte dieses bis vor kurzem ersetzt, doch die neueste Generation Computer schwenkt zurück, da Germanium-Zinn-Transistoren eine weitaus höhere Elektronenbeweglichkeit als herkömmliche Transistoren aufweisen. Weil Germanium-Zinn zudem auch bei tiefen Temperaturen und geringen Spannungen funktioniert, eignet sich das Material in Transistoren besser als Silizium für den Bau von Quantencomputern. Auch bei der Entwicklung von High-Performance-Chips hat Germanium das Potential, Silizium als Grundstoff der Halbleiterindustrie zu ersetzen.
Preisentwicklung von Germanium
In Zukunft trifft bei dem Metall Germanium eine Angebotsknappheit auf eine solide Nachfragesteigerung von gut 5 Prozent p. a. – eine Folge von Entwicklungen zukünftiger Technologien.
