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Nanoroboter sollen Lithium-Ionen aus Meerwasser gewinnen
Der Lithiumbedarf nimmt durch Elektroautos und stationäre Batteriespeicher stark zu. Die U.S.A., die aktuell einen Großteil ihres Lithiums importiert, fördert deshalb die Entwicklung von Nanorobotern, die im Meerwasser Lithium-Ionen selektiv binden sollen. Ob die Technik sich tatsächlich für den industriellen Einsatz eignet, ist aber noch ungewiss.
College Station (U.S.A.). Der globale Lithiumbedarf hat in den letzten Jahren stark zugenommen, vor allem durch Elektroautos und stationäre Batteriespeicher für Stromnetze. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) wurden 2024 rund 205.000 Tonnen Lithium verarbeitet, also etwa doppelt so viel wie 2018. 2030 soll der Lithiumbedarf laut den Prognosen der IEA bei rund 455.000 Tonnen liegen. Ein Großteil der globalen Lithiumproduktion entfällt aktuell auf Australien (36 %), Chile (20 %) und China (17 %), wo das Alkalimetall aus unterirdischen Solevorkommen und im Bergbau gewonnen wird. Meerwasser enthält zwar große Mengen Lithium, aber in einer sehr geringen Konzentration. Die Extraktion ist deshalb bisher für den industriellen Einsatz deutlich zu teuer.
Die U.S.A. und die meisten anderen großen Industrienationen müssen deshalb ihren Lithiumbedarf durch Importe decken. In Anbetracht dieser Situation fördert das United States Department of Defense (DoD) 19 Projekte zur Gewinnung von kritischen Rohstoffen wie Lithium, mit dem Ziel, die lokalen Unternehmen und Lieferketten zu stärken und unabhängiger von Importen zu machen.
Forscher der Texas A&M University (A&M) um Dr. Shiren Wang arbeiten in einem dieser Projekte an einem Nanoroboter, der sich fischähnlich durch das Meerwasser bewegen soll, um dort Lithium-Ionen zu gewinnen. Aktuell befindet sich das Projekt noch in einem frühen Stadium, in dem zunächst die grundsätzliche technische Machbarkeit untersucht wird.
„Im Gegensatz zum traditionellen Bergbau, bei dem Land aufgebaggert oder Sole aus dem Untergrund gepumpt wird und der enorme Energiemengen benötigt, bewegen sich diese autonomen Mikro-/Nanoroboter frei durch Meerwasser, um Lithium zu gewinnen – ohne umfangreiche Förderanlagen“, erklärt Dr. Jingjing Qiu.
Laut den beteiligten Wissenschaftlern sieht das mit einer Million Dollar geförderte Projekt vor, dass die Mikro-/Nanoroboter sich wie kleine Fische durch das Meerwasser bewegen, wenn äußere Reize wie Licht sie aktivieren. Bei ihrer Bewegung durch das Meerwasser, das deutlich mehr Natrium- und Magnesium-Ionen enthält, sollen die Roboter Lithium-Ionen selektiv binden. Die kleinen Partikel sollen anschließend mit magnetischen Feldern wieder eingesammelt werden, um sie erneut nutzen zu können. Wie Qiu erläutert, soll diese Methode effizienter funktionieren als stationäre Extraktionsmethoden, weil die Roboter durch ihre Bewegung mehr Lithium-Ionen erreichen.
„Die Lithiumgewinnung aus Meerwasser könnte eine stabile alternative Quelle darstellen, um die weltweit wachsende Nachfrage nach Lithium zu decken. Unser Ziel ist es, eine Technologie zu entwickeln, die eine verlässlichere inländische Lithium-Lieferkette unterstützt und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck verringert, der mit herkömmlichen Gewinnungsmethoden verbunden ist“, so Qiu.
Die Wissenschaftler planen im weiteren Projektverlauf, die Leistungsfähigkeit der Nanoroboter und die Effizienz der Lithiumrückgewinnung zu erhöhen. Anschließend möchten sie die Technik skalieren und ein größeres Demonstrationssystem bauen. Dieses soll unter anderem dabei helfen, den Prozess kosteneffizienter zu machen und im Dauerbetrieb zu erproben.
Wie Qiu erklärt, gibt es aber noch mehrere Hürden, bevor die Nanoroboter tatsächlich Lithium-Ionen im industriellen Maßstab einsammeln können, darunter vor allem die effiziente Trennung von Lithium und den vielen anderen Ionen des Meerwassers. Es ist zudem unklar, ob die bestehenden Mikro-/Nanoroboter ausreichend robust für die komplexen Meeresumgebungen, etwa die Strömungen, Biofilme und Verschmutzungen, sind und welche Umweltauswirkungen ih