Manganknolle

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Manganknolle, Bildbreite: 20 cm
Nahaufnahme einer Manganknolle, Bildbreite: 3 cm

Manganknollen sind klumpige Mineral-Aggregate, die bis zu 27 % aus dem Metall Mangan bestehen. Sie sind in Tiefen zwischen 4000 und 6000 Metern auf dem Meeresboden zu finden. Andere Elemente wie Kupfer, Cobalt, Zink und Nickel sind mit 0,2–1 % enthalten, der Eisenanteil liegt bei 15 %.[1]

Lebensraum[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auf den Knollen, die auf dem schlammigen Meeresboden der einzige festen Untergrund sind, leben gestielte Schwämme. Die Schwämme filtern Partikel aus dem Wasser und sind zugleich Lebensraum zahlreicher Würmer, Krebse und Muscheln.[2][3] Nach einer in Scientific Reports veröffentlichen Studie finden sich auf Gebieten mit Manganknollen 14 bis 30 sessile Tiere pro 100 m². Mit einem Anteil von über 60 % bis zu 90 % sind dies Anthozoa, gefolgt von Schwämmen.[4]

Herkunft und Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Manganknollen sind extrem langsam wachsende Ausfällungsprodukte (ca. 5 mm in einer Million Jahren). Der durchschnittliche Durchmesser beläuft sich auf etwa 5 cm. Die innere Struktur der Knollen ist mit dem Aufbau einer Zwiebel vergleichbar. Um einen beliebigen Ausgangskern (z. B. ein Sandkorn) lagern sich durch chemische Ausfällung verschiedene Materialien an. Durch das konzentrische Wachstum bilden sich die Schichten schalenförmig aus und bilden Knollen tendenziell kugeliger Gestalt.[1]

Etwa 15 % des Mangans stammen aus den Kalkschalen abgestorbener Kleinstlebewesen, die sich an der Calcit-Kompensationstiefe auflösten. Dieser Anteil wird als hydrogenetischer Anteil bezeichnet. Der Großteil des Mangans entstammt aber dem Sediment. Während das Mangan im Sediment in seiner zweiwertigen Form gelöst in Porenwässern vorliegt, wird es beim Aufstieg aus dem Meeresboden von den sauerstoffreichen antarktischen Bodenströmungen in seine vierwertige Form oxidiert und fällt damit als wasserunlösliches MnO2 aus. Auf die gleiche Weise wird das von oben kommende biogene zweiwertige Mangan abgelagert.[1]

Die größten Fundstellen befinden sich im Pazifischen Ozean. Das GEOMAR schätzt die Manganknollenvorkommen im größten pazifischen Reservoir (Clarion-Clipperton-Zone) auf 21 Milliarden Tonnen, was im Falle einer effizienten Gewinnung genügen würde, um mehrfach den Weltbedarf an Nickel, Cobalt, Kupfer und Mangan zu decken.[5][6]

Abbau von Manganknollen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein angebliches Versuchsprogramm zum Abbau von Manganknollen am Anfang der 1970er Jahre war die Tarnung für das Azorian-Projekt, die geheime Bergung eines sowjetischen U-Boots.

In der Zeit von Februar bis Mai 1978 förderte ein internationales Konsortium, die OMI (Ocean Management Inc.), im Zentralpazifik bei einem erfolgreichen Pilot-Mining-Test zum ersten Mal mehrere hundert Tonnen Manganknollen aus über 5000 m Tiefe. Damit wurde gezeigt, dass sowohl das Konzept der hydraulischen Vertikalförderung mittels Pumpen als auch das Lufthebeverfahren (Airliftverfahren, Mammutpumpe) für den Abbau von Manganknollenfeldern geeignet sind, wenngleich bei diesem Versuch noch keine wirtschaftliche Förderleistung – auch nicht kurzzeitig – erreicht wurde. Das Konsortium bestand aus den folgenden Mitgliedern:

  • AMR (Arbeitsgemeinschaft meerestechnisch gewinnbare Rohstoffe, Bundesrepublik Deutschland)
  • DOMCO (Deep Ocean Mining Corp., Japan)
  • INCO (International Nickel Comp. Ltd., Kanada)
  • SEDCO (South East Drilling Corp. Inc., USA)

Anfang der 1980er Jahre wurden Manganknollen von Mineralogen und Chemikern intensiv untersucht, um Hinweise zu ihrem Wachstum und ihrer Zusammensetzung zu erhalten. Auch ihr metallurgischer Wert, besonders im Hinblick auf den Gehalt der Knollen an Nickel und Kupfer, wurde diskutiert. Die beiden Bilder zeigen eine Manganknolle aus einer Sammlung, die am Institut für Mineralogie an der Universität Heidelberg mineralogisch untersucht wurde.

Um einen wirtschaftlich rentablen Abbau von Manganknollen zu gewährleisten, müssten unter Berücksichtigung aktueller Produktionsfaktoren und Marktpreise (2016) jährlich etwa anderthalb bis zwei Millionen Trockentonnen an Wertmineral gefördert werden. Die Produktionskapazität ist aufgrund der geologisch vorgegebenen Belegungsdichte und der in dieser Zeit abbautechnisch zu bewirtschaftenden Fläche auf etwa zwei Millionen Trockentonnen pro Abbausystem beschränkt. Im Rahmen des Blue-Mining-Forschungsprojekts[7] wurde ein solches Abbaukonzept entwickelt: Es sieht vor, dass die oberflächig vorkommenden Manganknollen von ein bis zwei ferngesteuerten Sammelgeräten aufgenommen, von Sediment befreit und für den vertikalen Transport zerkleinert werden. Die Maschinen sind so gestaltet, dass ein möglichst geringer Eingriff in die Natur erfolgt. Der Abbauvorgang und die Umweltauswirkungen in der Tiefsee sind noch nicht hinreichend genau erforscht. Es wird erwartet, dass der Abbau am Meeresboden ähnlich wie der Prozess der Kartoffelernte in der Agrarwirtschaft erfolgen wird. Dabei wird angenommen, dass im Durchschnitt vier bis fünf Fußballfelder pro Förderstunde bewirtschaftet werden müssen, um eine Jahrestonnage von zwei Millionen Trockentonnen zu erzielen.[8] Das Abbaukonzept sieht zudem vor, dass der Abbau in der Tiefsee von einer Vielzahl unterschiedlicher ferngesteuerter Unterwasservehikel, unter anderem zur Erfassung und Bewertung der Befahrbarkeit der Meeresoberfläche und Bestands an Manganknollen, begleitet wird. Geeignete Technologien müssen allerdings noch (weiter) entwickelt werden. Das so gesammelte Erz gelangt über einen flexiblen Förderstrang in einen Zwischenspeicher, der über das vertikale Förderrohr mit dem Produktionsschiff verbunden ist. Im Rahmen des Blue-Mining-Projekts werden zwei unterschiedliche Technologien erforscht: Zum einen ein in der Nassgewinnung von Industriemineralen weit verbreitetes, jedoch für eine Tiefe von bis zu 6000 Meter verbessertes Pumpsystem und zum anderen ein von der Firma MH Wirth vorgesehenes Lufthebeverfahren. Auf dem Produktionsschiff wird das Erz entwässert, zwischengespeichert und in Intervallen von fünf bis acht Tagen auf Massengutfrachter für den lateralen Transport verladen. Meereswasser und Kleinstfraktionen an Sediment und Manganknollensubstrat aus der Entwässerung werden in ausreichende Wassertiefen rückgeleitet. Bisher gibt es noch keine Aufbereitungsanlagen für Manganknollen an Land. In Deutschland wird unter anderem an der RWTH Aachen an Abbaukonzepten geforscht.[9][10][11] Die metallurgische Verhüttung der Manganknollen und die Raffination der Zwischenprodukte wird aktuell an der TU Clausthal und der RWTH Aachen erforscht. Das Konzept sieht vor, dass Manganknollen in einem Schmelz-Reduktionsofen geschmolzen werden, um eine wertmetallreiche Legierung zu produzieren und eine manganreiche Schlacke. Überschüssiges Eisen kann aus der Legierung durch das Einblasen von Sauerstoff entfernt werden. Die Legierung kann anschließend hydrometallurgisch raffiniert werden, um Nickel, Kobalt und Kupfer als Karbonat, Sulfat und als Metall zu produzieren. Die Schlacke aus dem ersten Schmelzprozess kann in einem weiteren Schmelz-reduktionsofen zu Ferromangan verarbeitet werden. In diesem Schritt können zusätzlich Rückstände aus der hydrometallurgischen Raffination eingesetzt werden. Die im zweiten Schmelzprozess erzeugte Schlacke enthält nur noch geringe Konzentrationen an Schwermetallen und könnte in der Baustoffindustrie Verwendung finden.[12][13]

Deutsches Ressourcen-Forschungsgebiet im Pazifik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

siehe auch Deutsches Ressourcen-Forschungsgebiet im Pazifik

Seit 2006 hält Deutschland über die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) in Hannover eine Forschungslizenz für zwei insgesamt 75.000 Quadratkilometer große Gebiete im Pazifik. Deutschland zahlte 2006 an die UN 250.000 Euro für eine Pacht. Die beiden Seegebiete liegen südwestlich von Hawaii[14] im sogenannten „Mangangürtel“, der sich von der Küste Mexikos bis nach Hawaii zieht. Die Wassertiefen in dem Gebiet liegen zwischen 4000 und 6000 m. Der Meeresboden ist dicht belegt mit polymetallischen Knollen. Die Knollen sind meist zwischen 3 und 8 cm groß. Sie enthalten neben durchschnittlich 25 Prozent Mangan auch rund 3 Prozent Kupfer, Nickel und Kobalt. Vor allem diese drei letztgenannten „Wertmetalle“ sind als Rohstoffquelle für eine zukünftige Nutzung interessant. Weitere Spurenmetalle, die in interessanten Konzentrationen in den Knollen vorkommen, sind Molybdän, Lithium und Neodym, aber auch Antimon, Wismut, Germanium, Indium, Selen, Tellur u. a.

Die Lizenz gestattet es, 15 Jahre lang das Manganknollenvorkommen zu erkunden. Für einen möglichen Abbau muss bei der Internationalen Meeresbodenbehörde eine Abbaulizenz beantragt werden. Die Auswirkungen eines Rohstoffabbaus auf die ozeanischen Lebensräume werden durch das Umweltbundesamt als "erheblich" eingeschätzt.[15] Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert mit der internationalen Forschungsinitiative JPI Oceans die Erforschung der ökologischen Auswirkungen eines potenziellen Tiefseebergbaus. Auf mehreren Forschungsfahrten mit dem Forschungsschiff Sonne erkundeten die Wissenschaftler, ob ein Abbau der Manganknollen in der Tiefsee die dort lebenden Arten gefährden würde. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass die bisherigen Lebensgemeinschaften in den Regionen, wo Manganknollen entfernt wurden, nicht mehr in der gleichen Artzusammensetzung vorkommen. Das Thema Tiefseeressourcen, Tiefseebergbau und seine ökologischen Folgen wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung 2015 in die G7-Gespräche der Wissenschaftsminister eingebracht. Außerdem reiste im Sommer 2016 eine Delegation zur internationalen Meeresbodenbehörde ISA, um die Forschungsergebnisse zu präsentieren und so den Mining Code mitzugestalten. Dabei gaben die Wissenschaftler die Empfehlung, Schutzgebiete und Abbaugebiete mit gleicher Knollendichte und Artenzusammensetzung mosaikartig anzulegen.[16]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • G. Ottow: Tagebau unter Wasser. In: Die Umschau 82, Nr. 10 (Mai 1982), S. 319–324
  • David S. Cronan: Handbook of marine mineral deposits; Boca Raton, CRC Press, Florida 2000; ISBN 0-8493-8429-X
  • Günter Dorstewitz: Meeresbergbau auf Kobalt, Kupfer, Mangan und Nickel – Bedarfsdeckung, Betriebskosten, Wirtschaftlichkeit; Verlag Glückauf, Essen 1971; ISBN 3-7739-0093-7
  • Peter Halbach: The manganese nodule belt of the Pacific Ocean – geological environment, nodule formation, and mining aspects; Enke, Stuttgart 1988; ISBN 3-432-96381-5
  • Ranadhir Mukhopadhyay, Anil K. Ghosh, Sridhar D. Iyer: The Indian Ocean nodule field – geology and resource potential; Elsevier Science & Technology, Amsterdam 2007; ISBN 978-0-444-52959-6
  • Thomas Kuhn et al.: Tiefseeförderung von Manganknollen. In: Schiff & Hafen, Heft 5/2011, S. 78–83; Seehafen-Verlag, Hamburg 2011, ISSN 0938-1643

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Commons: Manganese nodule – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Manganknollen. In: Mineralienatlas Lexikon. Stefan Schorn u. a., abgerufen am 15. Juli 2021.
  2. MPI für Marine Mikrobiologie, Untermieter auf Manganknollen: Schwämme sorgen für Artenreichtum, 10. Juni 2021
  3. Tanja Stratmann, Karline Soetaert et al: Polymetallic nodules are essential for food-web integrity of a prospective deep-seabed mining area in Pacific abyssal plains in Scientific Reports Vol. 11, 10. Juni 2021, Online
  4. Ann Vanreusel, Ana Hilario et al: Threatened by mining, polymetallic nodules are required to preserve abyssal epifauna in Scientific Reports, 1. Juni 2016, Online
  5. Vorkommen und Rohstoffpotenzial von Manganknollen. In: Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (Hrsg.): Mineralische Rohstoffe aus der Tiefsee. Entstehung, Potential und Risiken. 19. Februar 2021, S. 18 (geomar.de [PDF; 8,8 MB; abgerufen am 15. Juli 2021]).
  6. Onno Groß: Die Tiefsee. Deepwave, 2016, abgerufen am 15. Juli 2021.
  7. Website Blue Mining Projekt, abgerufen am 26. Mai 2017.
  8. Sebastian Ernst Volkmann, Felix Lehnen: Production key figures for planning the mining of manganese nodules. In: Marine Georesources & Geotechnology. 21. April 2017. doi:10.1080/1064119X.2017.1319448.
  9. Peter Kukla, Felix Lehnen, Bernd Lottermoser, Mirjam Rahn, Sebastian Volkmann: Lassen sich Manganknollen im Pazifik wie Kartoffeln ernten? RWTH Aachen, 2016, abgerufen am 23. Mai 2017.
  10. Sebastian Ernst Volkmann, Thomas Kuhn, Felix Lehnen: A comprehensive approach for a techno-economic assessment of nodule mining in the deep sea. In: Mineral Economics. 21. Februar 2018, ISSN 2191-2203, S. 1–18, doi:10.1007/s13563-018-0143-1.
  11. Sebastian Ernst Volkmann, Bernd Georg Lottermoser, Peter A. Kukla: Blue mining – planning the mining of seafloor manganese nodules. Aachen 2018, doi:10.18154/rwth-2018-230772 (rwth-aachen.de [PDF; 15,1 MB; abgerufen am 19. Dezember 2018] Dissertation).
  12. Marcus Sommerfeld, David Friedmann, Thomas Kuhn, Bernd Friedrich: “Zero-Waste”: A Sustainable Approach on Pyrometallurgical Processing of Manganese Nodule Slags. In: Minerals. 8, Nr. 12, 23. November 2018, ISSN 2075-163X, S. 544. doi:10.3390/min8120544.
  13. Sebastian Keber, Lisa Brückner, Tobias Elwert, Thomas Kuhn: Concept for a Hydrometallurgical Processing of a Copper‐Cobalt‐Nickel Alloy Made from Manganese Nodules. In: Chemie Ingenieur Technik. 92, 11. März 2020, ISSN 1522-2640, S. 379–386. doi:10.1002/cite.201900125.
  14. planet-wissen.de
  15. Tiefseebergbau und andere Nutzungsarten der Tiefsee. Umweltbundesamt, 7. Juni 2013, abgerufen am 26. Juli 2016.
  16. fona.de