Das Element Hafnium ist ein silbergrau glänzendes Übergangsmetall, das zur Titan-Gruppe im Periodensystem der Elemente gehört. Industrie und Technik verwenden es wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und Hitzeresistenz, sowie seiner Vielzahl möglicher Oxidationszustände. Wegen seinem Wert für die Industrie und seinem Status als strategisches Metall betrachtet die Noble BC Hafnium als vielversprechende Investition. Das Metall erfüllt alle drei Kriterien für Preissteigerungen: den Wechsel in einen defizitären Markt, erwartete Produktionskostensteigerungen und eine wachsende Nachfrage. Aufgrund seiner militärischen Relevanz und seiner Verwendung in der Nuklearindustrie, insbesondere als Teil des Antriebs von Atom-U-Booten, gibt es strenge Ausfuhrbeschränkungen und Geheimhaltungsvorschriften.
Was ist Hafnium?
Fakten über Hafnium
36 Tonnen
1,0 %
> 10 % p. a.
keine aktuellen Zahlen
Wo kommt Hafnium vor?
Hafnium tritt hauptsächlich als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Zirconium auf, da es chemisch eng mit dem Mineral verbunden ist. Seine Produktionsmenge hängt daher stark von der weltweiten Zirconium-Produktion ab, die seit 2018 leicht rückläufig ist. Zu den Hauptabbaugebieten zählen Länder mit bedeutenden Zirconiumvorkommen, wie beispielsweise Australien, Südafrika, Brasilien, Indien, Russland und die USA. Es gibt begrenzte und verschwiegene Informationen zur jährlichen Hafniumproduktion, da es militärisch relevant ist. China, einer der Hauptproduzenten, unterliegt strengen Geheimhaltungsvorschriften. Laut US Geological Survey sank die aus Zirconiumerz gewonnene Hafniummenge von 43 Tonnen (2017) auf 33 Tonnen (2020).
Wie wird Hafnium gewonnen?
Hafnium wird aus Zirconium durch einen aufwändigen Prozess namens Fraktionierung oder Abtrennung gewonnen. Da Hafnium und Zirconium chemisch sehr ähnlich sind, ist es äußerst schwierig, sie voneinander zu trennen. Der übliche Ansatz besteht darin, Zirconium von Hafnium durch eine Reihe von Verarbeitungsschritten zu trennen, die auf den unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Metalle basieren. Eine gängige Methode ist die Anwendung von Flüssig-Flüssig-Extraktionstechniken, bei denen organische Lösungsmittel verwendet werden, um Hafnium aus der Zirconiumlösung zu extrahieren. Nach der Trennung wird das dabei entstandene Hafniumtetrachlorid zu Metall mit einer Reinheit von 98 % verarbeitet. Mit einem weiteren aufwändigen Verfahren wird dieses dann zu einem Hafniummetall mit einer Reinheit von 99,9 % verarbeitet und entspricht dann dem Industriestandard.
Wofür wird Hafnium hauptsächlich verwendet?
Hafnium ist essenziell für Superlegierungen in der Luft- und Raumfahrt, die extremen Temperaturen widerstehen. Die Nachfrage steigt mit dem Luftfahrtwachstum. In Atomkraftwerken reguliert Hafnium in Steuerstäben Kernspaltungen. Die Kernenergierenaissance, insbesondere in Asien, sichert die Nachfrage. Zudem trägt Hafnium zum Klimaschutz bei: Es kühlt effizient Gebäude und spart dadurch Energie. In der Krebstherapie verstärkt Hafnium die Wirkung von Röntgenstrahlung. Auch in Frostschutzmitteln für Blutproben, in denen es die Bildung von Eiskristallen verhindert, kommt es zum Einsatz. Vielseitig einsetzbar, bleibt Hafnium ein vielversprechendes Metall für zukunftsorientierte Technologien.
Hafnium wird in der Halbleiterindustrie als entscheidender Bestandteil von Hafniumoxid-basierten Dielektrika verwendet. Diese bilden dünnere Isolatorschichten in Transistoren im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumdioxid-Dielektrika. Die Verwendung von Hafniumoxid hilft, Leckströme zu reduzieren und ermöglicht damit effizientere und leistungsfähigere Transistoren, was zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz von Halbleiterbauteilen führt.
Hafnium wird in Katalysatoren für petrochemische Prozesse benötigt. Es fungiert als Katalysator-Träger, verbessert die Effizienz von chemischen Reaktionen. Hafniumoxid-basierte Katalysatoren spielen eine zentrale Rolle bei der Umwandlung von Rohöl in wertvolle petrochemische Produkte wie Treibstoffe und Kunststoffe. Die Präsenz von Hafnium in diesen Katalysatoren fördert Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität, was die Produktqualität und Produktivität verbessert.
Wie Schweizer Forschende entdeckt haben, kann Hafniumdioxid auch bei Krebstherapien helfen. In befallene Zellen eingeschleust, verstärkt es die Wirkung der bei der Therapie verwendeten Röntgenstrahlung. Die betroffenen Zellen werden so viel effizienter zerstört, sodass man nur die Hälfte der normalerweise verwendeten Röntgenstrahlung benötigt.
Der größte Verbraucher von Hafnium ist derzeit die Luft- und Raumfahrtindustrie. Wenn es darum geht, Metalllegierungen einzusetzen, die hohen Temperaturen standhalten müssen, wird häufig auf Hafnium gesetzt. So lässt sich im besten Fall auch noch Gewicht einsparen. Wachsen die Luftfahrtindustrie und der Markt für Gasturbinen wie bisher stetig weiter, steigt auch der Bedarf nach diesem Metall. Dazu gibt es folgende aktuelle Zahlen: Airbus hat bis Anfang 2022 insgesamt 611 Flugzeuge ausgeliefert (Typ Boeing 340). Die Flugzeugindustrie rechnet als Ganzes bis 2033 mit einem Bedarf von mehr als 36000 neuen Passagier- und Frachtjets.
Kernenergie ist umstritten, aber sie treibt die Nachfrage nach Hafnium an. Hafnium wird für Steuerstäbe in Atomkraftwerken benötigt, um Kernspaltungen zu regulieren. Nach 5-10 Jahren Einsatz gelten sie als verbraucht. In China, das in Smog erstarrt, erlebt Kernkraft eine Renaissance. Von den 53 aktiven Reaktorblöcken sind weitere 35 geplant. China sicherte sich die Rohstoffversorgung durch Verträge mit Areva, dem größten Hafniumproduzenten. Ausbau der Kernenergie führt zu steigendem Hafniumbedarf.
Hafnium wird in Plasmaschneidespitzen aufgrund seines extrem hohen Schmelzpunkts eingesetzt. Es bildet eine schützende Schicht auf der Spitze, die die intensive Hitze des Plasmas aushält und das Metall präzise schneidet, ohne selbst zu schmelzen. Diese herausragende Eigenschaft macht Hafnium zu einem idealen Material für Präzisionsplasmaschneidewerkzeug, da es eine längere Lebensdauer und höhere Schneidleistung ermöglicht.
Hafnium-basierte metallorganische Gerüste, so genannte MOFs, können Gefrierschutzmitteln für Blutproben zu einer verbesserten Wirkung verhelfen. Hafnium-MOFs können die Wechselwirkung mit Wassermolekülen präziser als herkömmliche Gefrierschutzmittel steuern. Dadurch entsteht ein effizienterer Schutz für die empfindlichen Zellmembranen der Blutkörperchen vor Eiskristallen. Die Bildung dieser verhindert das Gefrierschutzmittel durch sein unregelmäßiges zweidimensionales Muster aus Liganden. Diese wichtigen Bestanteile der Chemie können bestimmen, wie Metallionen mit anderen Molekülen interagieren.
Eine hitzeresistente Legierung aus Hafnium und Wolfram ist der nächste Schritt auf dem Weg, Kernfusion als nächste Schlüsseltechnologie für die Energiegewinnung zu nutzen. Die Legierung konnte bereits im Experiment überzeugen, wo sie sowohl den extrem hohen Temperaturen im Reaktor standhielt als auch durch die Hafnium-Zugabe eine höhere Strahlungsbeständigkeit aufwies als bisherige Legierungen. Die Erzeugung von Fusionsenergie wird durch das neue Material kostengünstiger.
Ein neu entwickelter Schnelltest mit Hafnium kann Affenpocken innerhalb weniger Minuten nachweisen, während herkömmliche Tests dafür mehrere Tage brauchen. Das Metall ist Teil plasmonischer Nanopartikel, also Teilchen, die bei Kontakt mit genetischem Material ihre optischen Eigenschaften verändern. Man könnte den Schnelltest auch gegen andere Krankheiten einsetzen, wenn man seine Moleküle verändert. Damit könnte er dann eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung zukünftiger Epidemien und sogar Pandemien spielen.
Preisentwicklung von Hafnium
Basierend auf der steigenden Nachfrage nach Hafnium in Schlüsselindustrien wie Luftfahrt, Kernenergie und Technologieanwendungen wie Plasmaschneiden, ist eine Preiserhöhung wahrscheinlich. Das begrenzte Angebot, Geheimhaltung der Produktion und restriktive Ausfuhrregulierungen könnten die Preise weiter in die Höhe treiben. Insbesondere die steigende Nutzung in aufstrebenden Technologien, die höhere Anforderungen an Materialien stellen, wird die Nachfrage aller Voraussicht nach ankurbeln. Langfristig dürfte die Kombination aus steigender Nachfrage und begrenztem Angebot die Preise für Hafnium voraussichtlich weiter ansteigen lassen.
