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60. Neodym (Nd) - Der stärkste Magnet · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt,
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bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
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produzieren. Kennst du schon unsere anderen
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Podcast reihen wie Schlafreise durch das Universum?
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Heute begeben wir uns auf eine Reise zu einem Element, das du
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vermutlich nie in Rehenform gesehen hast, das aber in deinem
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Alltag allgegenwärtig ist. Es steckt in den winzigen
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Lautsprechern deiner Kopfhörer im Motor, der die Fenster deines
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Autos bewegt, in der Festplatte, auf der vielleicht deine Musik
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liegt, und in den gewaltigen Generatoren der Windräder, die
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sich draußen im Wind drehen. Die Rede ist von Neodym, dem
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Element mit der Ordnungszahl 60, dem Träger des vielleicht
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stärksten Dauermagneten, den die Menschheit je hergestellt hat.
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Lehn dich zurück, atme ruhig und lass uns gemeinsam eintauchen in
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die Welt dieses stillen, unscheinbaren Metalls, das
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unsere moderne Zivilisation im Innersten zusammenhält, der Name
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Neodym. Trägt seine Geschichte bereits
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in sich. Er stammt aus dem griechischen
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und bedeutet so viel wie neuer Zwilling, um zu verstehen, warum
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ausgerechnet dieser Name gewählt wurde, müssen wir zurückreisen
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in das 19 Jahrhundert, in eine Zeit, in der die Chemie noch ein
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Feld voller Rätsel und verborgener Verwandtschaften
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war. Im Jahr 1885 arbeitete der
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österreichische Chemiker Karl Auer von Welsbach in Wien an
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einer Substanz, die man damals für ein einzelnes Element hielt
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und Didym nannte. Der Name Didym leitete sich vom
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griechischen Wort für Zwilling ab, denn dieses vermeintliche
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Element trat stets als treuer Begleiter des Landhahns und des
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Zähers auf, gleichsam als dessen Zwillingsbruder.
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Doch Auer von Welsbach ahnte, dass sich hinter diesem Didym in
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Wahrheit 2 verschiedene Stoffe verbargen.
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Mit unermüdlicher Geduld unterzog er das Didym einer
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Reihe von Kristallisationen einem mühsamen Verfahren, bei
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dem eine Lösung immer wieder eingedampft und
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auskristallisiert wird, bis sich die verschiedenen Bestandteile
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langsam voneinander trennen. Nach Hunderten solcher
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Durchgänge gelang ihm schließlich, was viele für
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unmöglich gehalten hatten. Er zerlegte das Didym in 2
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getrennte Elemente. Das eine nannte er Praseodym,
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den grünen Zwilling nach der lauchgrünen Farbe seiner Salze,
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das andere taufte er neodym, den neuen Zwilling.
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Damit war ein Element geboren, das über ein Jahrhundert später
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zu einem der begehrtesten Rohstoffe der Welt werden
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sollte. Neodym gehört zur Gruppe der
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Lanthanoide, jener 14 Elemente, die im Periodensystem meist in
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einer eigenen Reihe unterhalb der übrigen dargestellt werden.
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Damit die Tabelle nicht ins Unermessliche in die Breite
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wächst. Gemeinsam mit dem Skandium und
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dem Ytrium bilden die Lanthanoide die Gruppe der
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Seltenen Erden. Dieser Name führt allerdings in
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die Irre. Denn selten sind diese Elemente
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keineswegs. Neodym ist in der Erdkruste
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häufiger vorhanden als etwa Blei oder Zinn.
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Metalle, die uns seit der Antike vertraut sind, der Begriff
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selten stammt aus einer Zeit, in der man diese Stoffe nur mühsam
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und in geringen Mengen aus ihren Erzen gewinnen konnte und in der
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man sie fälschlicherweise für seltene Formen der sogenannten
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Erden hielt, wie man. Metalloxide früher nannte die
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eigentliche Schwierigkeit, liegt bis heute nicht in der
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Häufigkeit, sondern in der Trennung.
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Denn die Seltenen Erden treten in der Natur fast immer
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gemeinsam auf, chemisch einander, so ähnlich, dass ihre
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Trennung zu den anspruchsvollsten Aufgaben der
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gesamten Verfahrenstechnik gehört.
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Um zu verstehen, warum Neodym so besondere magnetische
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Eigenschaften besitzt, müssen wir einen Blick in das Innere
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des Atoms werfen, in jene Zone, in der sich die Elektronen
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aufhalten. Jedes Element verdankt seine
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Eigenschaften der Anordnung seiner Elektronen, und bei den
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Lanthanoiden spielt eine ganz bestimmte Elektronenschale die
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entscheidende Rolle, es ist die sogenannte F Schale.
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Eine tief im Atom verborgene Elektronenhülle bei Neodym
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befinden sich in dieser f Schale 4 Elektronen und diese
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Elektronen sind es, die dem Element seinen Magnetismus
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verleihen. Jedes Elektron trägt einen
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winzigen magnetischen Moment in sich, gewissermaßen eine
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mikroskopisch kleine Kompassnadel.
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In den meisten Stoffen zeigen diese winzigen Nadeln in alle
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Richtungen und heben sich dadurch gegenseitig auf.
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Bei magnetischen Materialien jedoch richten sie sich aus, sie
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zeigen alle in dieselbe Richtung und aus der Summe unzähliger
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dieser winzigen Momente entsteht die Kraft, die wir als
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Magnetismus wahrnehmen. Doch Neodym allein wäre als
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Magnet nur schwach und unbrauchbar.
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Das reine Metall verliert seine magnetische Ordnung bereits weit
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unterhalb der Raumtemperatur. Erst die Verbindung mit anderen
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Elementen verwandelt es in einen Magneten von geradezu
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unheimlicher Stärke. Die entscheidende Entdeckung
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gelang im Jahr 1983 und sie geschah gleich an 2 Orten der
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Welt, fast zeitgleich in Japan arbeitete beim Unternehmen
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Sumitomo der Forscher Masato Sagawa an einer Verbindung aus
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neodym, Eisen und Bor. In den Vereinigten Staaten
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verfolgte das Unternehmen General Motors einen ganz
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ähnlichen Weg. Beide Gruppen stießen unabhängig
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voneinander auf dieselbe bemerkenswerte Verbindung, die
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man heute mit der Formel Neodym 2 Eisen 14 Bor beschreibt.
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Dieser Werkstoff sollte die Welt der Magnete für immer verändern
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das Geheimnis dieser Verbindung liegt im Zusammenspiel der 3
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Elemente, das Eisen liefert die eigentlichen magnetischen
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Momente in großer Zahl. Denn Eisen ist von Natur aus
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stark magnetisch. Das Neodym sorgt dafür, dass
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sich diese Momente in eine bestimmte Richtung zwingen
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lassen und dort verharren, auch wenn kein äußeres Magnetfeld
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mehr wirkt. Man spricht hier von der
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Anisotropie der Vorzugsrichtung des Magneten, das Bohr
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schließlich stabilisiert die Kristallstruktur und sorgt für
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den festen Zusammenhalt des Gefüges.
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Erst dieses fein abgestimmte Dreigespann erzeugt jene
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außergewöhnliche magnetische Härte, die den Neodymmagneten
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auszeichnet. Härte bedeutet in diesem
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Zusammenhang, dass der Magnet seiner Entmagnetisierung großen
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Widerstand entgegensetzt, ein einmal magnetisierter
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Neodymmagnet behält seine Kraft über Jahrzehnte, wenn man ihn
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nur vor zu großer Hitze und vor mechanischer Zerstörung bewahrt.
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Doch die Stärke des Neodym Magneten hat auch eine
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Achillesferse. Und die liegt in seiner
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Empfindlichkeit gegenüber Hitze. Jeder Dauermagnet verliert seine
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magnetische Ordnung, wenn man ihn über eine bestimmte
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Temperatur erhitzt, diese Grenze nennt man die Curie Temperatur,
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benannt nach dem französischen Physiker Pierre Curie, der ihre
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Gesetzmäßigkeit erforschte. Oberhalb dieser Temperatur
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geraten die winzigen magnetischen Momente im Inneren
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des Materials so stark in Unordnung, dass sich ihre
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Ausrichtung auflöst und der Magnetismus verschwindet.
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Bei der Verbindung aus Neodym, Eisen und Bor liegt diese
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Curietemperatur bei rund 310 Grad Celsius und schon deutlich
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darunter beginnt der Magnet spürbar an Kraft zu verlieren.
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Für viele Anwendungen ist das ein ernstes Problem, denn gerade
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in Elektromotoren entstehen im Betrieb erhebliche Temperaturen.
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Um diesem Nachteil zu begegnen, setzt man dem Neodym oft geringe
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Mengen anderer seltener Erden zu, insbesondere Dysprosium und
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Terbium. Diese Zusätze verschieben die
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Grenze der Hitzebeständigkeit nach oben und machen den
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Magneten tauglich für den heißen Alltag im Inneren einer
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Maschine. Allerdings sind gerade diese
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Zusatzelemente noch seltener und teurer als das Neodym selbst.
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Was die Forschung antreibt, mit möglichst wenig davon
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auszukommen. Wie stark ein solcher Magnet
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wirklich ist, lässt sich mit einer Kennzahl beschreiben, die
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Fachleute das Energieprodukt nennen.
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Sie gibt an, wieviel magnetische Energie in einem gegebenen
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Volumen gespeichert werden kann, die besten neodym Magnete
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erreichen Werte von über 400 Kilojoule pro Kubikmeter, ein
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Vielfaches dessen ist. Was die klassischen ferid
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Magnete leisten, wie sie etwa in einfachen Kühlschrankmagneten
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stecken, diese enorme Energiedichte bedeutet in der
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Praxis, dass ein neodym Magnet bei gleicher Kraft nur einen
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Bruchteil des Volumens und des Gewichts eines herkömmlichen
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Magneten benötigt. Genau diese Eigenschaft hat die
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Elektrifizierung unseres Alltags erst möglich gemacht.
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Denn überall dort, wo es auf kleine Bauweise und geringes
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Gewicht ankommt, sind die neodym Magnete unersetzlich geworden.
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Denken wir an die Kopfhörer, die vielleicht gerade in deinen
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Ohren stecken, in ihrem Inneren sitzt eine winzige Membran, die
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von einem ebenso winzigen Magneten in Schwingung versetzt
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wird. Nur weil dieser Magnet aus
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Neodym so stark ist, kann er in einem so kleinen Gehäuse einen
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so vollen Klang erzeugen. Denken wir an die Festplatte
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eines Rechners, in der ein Schreib und Lesekopf mit
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unglaublicher Präzision über rotierende Scheiben gleitet,
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bewegt von einem kleinen, aber kräftigen neodym Magneten.
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Denken wir an die Elektromotoren, die in einem
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modernen Elektroauto für den Antrieb sorgen.
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In vielen dieser Motoren stecken neodym Magnete, die es erlauben,
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auf kleinem Raum eine gewaltige Leistung zu erzeugen und dabei
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erstaunlich wenig Energie zu verschwenden.
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Und denken wir schließlich an die Windräder, deren Generatoren
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in ihren Gondeln oft mehrere 100 Kilogramm an neodym Magneten
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enthalten, um aus der Bewegung des Windes elektrischen Strom zu
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gewinnen. Gerade dieser letzte Punkt
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verweist auf eine tiefere Verbindung zwischen dem Neodym
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und der Zukunft unseres Planeten.
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Die Windkraft und die Elektromobilität gehören zu den
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Säulen einer Energieversorgung, die ohne die Verbrennung von
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Kohle, Öl und Gas auskommen soll.
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Ohne die starken Magnete aus Neodym wären diese Technologien
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deutlich schwerer, teurer und weniger wirkungsvoll.
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So wird ein Element. Das vor kaum 140 Jahren entdeckt
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wurde zu einem stillen Verbündeten im Bemühen, das
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Klima unserer Erde zu bewahren. Es ist eine bemerkenswerte
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Ironie der Geschichte, dass ausgerechnet ein Metall aus den
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Tiefen der Erdkruste uns dabei helfen soll, den Ausstoß von
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Treibhausgasen zu verringern, doch diese Verbindung hat auch
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ihre Schattenseiten, und ehrlich wäre es nicht, sie zu
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verschweigen. Die Gewinnung von Neodym ist
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alles andere als sauber. Die seltenen Erden liegen in
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ihren Erzen fast immer gemeinsam vor und ihre Trennung erfordert
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große Mengen an Säuren und anderen Chemikalien in vielen
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Abbaugebieten, insbesondere in Teilen Chinas, das über
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Jahrzehnte den Weltmarkt beherrschte, hat der Abbau
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schwere Umweltschäden hinterlassen.
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Giftige Rückstände gelangten in Böden und Gewässer, ganze
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Landstriche wurden vergiftet. Hinzu kommt, dass in den Erzen
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der Seltenen Erden häufig auch radioaktive Elemente wie Thorium
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und Uran enthalten sind, die bei der Verarbeitung als
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problematischer Abfall zurückbleiben.
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So steht das Neodym sinnbildlich für einen Zwiespalt unserer
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Zeit. Es hilft uns, die Erde zu
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schützen und fordert zugleich seinen Preis an anderer Stelle.
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Die Aufgabe der kommenden Jahre wird darin bestehen, seine
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Gewinnung sauberer zu gestalten und die Kreisläufe zu schließen,
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damit das Neodym aus alten Magneten wiedergewonnen und
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erneut genutzt werden kann. Der Weltmarkt für Neodym.
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Ist zudem ein Feld, auf dem sich wirtschaftliche und politische
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Kräfte überlagern, über viele Jahre hinweg lag der weitaus
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größte Teil der Förderung und Verarbeitung in den Händen eines
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einzigen Landes, was die übrigen Staaten in eine gewisse
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Abhängigkeit brachte. Als es im Jahr 2010 zu
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ausfuhrbeschränkungen kam, schnellten die Preise für
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Seltene Erden in die Höhe und viele Länder erkannten
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schlagartig, wie verletzlich ihre Versorgung mit diesen
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unscheinbaren Metallen war. Seither bemühen sich Staaten in
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aller Welt, eigene Vorkommen zu erschließen, Recyclingverfahren
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zu entwickeln und ihre Lieferketten breiter
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aufzustellen. Es ist ein Ringen um
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Unabhängigkeit, das zeigt, wie sehr ein einzelnes Element ganze
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Volkswirtschaften prägen kann. Vorkommen finden sich unter
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anderem in Australien, in den Vereinigten Staaten, in Grönland
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und in verschiedenen Ländern Afrikas, doch der Aufbau einer
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eigenen Verarbeitung ist ein langwieriger und kostspieliger
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Weg. Die schiere Kraft dieser kleinen
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Magnete hat auch eine Seite, die zur Vorsicht mahnt.
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Schon ein neodym Magnet von der Größe einer Münze kann ein
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Vielfaches seines eigenen Gewichts halten und größere
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Exemplare entwickeln anziehungskräfte, die man mit
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bloßer Muskelkraft kaum noch beherrschen kann, ziehen sich 2
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solcher Magnete an, so schnellen sie mit großer Wucht aufeinander
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zu. Und wer dabei einen Finger
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dazwischen hat, kann sich ernsthaft verletzen.
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Besonders gefährlich sind kleine kugelförmige neodym Magnete, wie
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sie früher als Spielzeug verkauft wurden.
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Verschluckt ein Kind mehrere davon, so können sie sich durch
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die Wände des Verdauungstrakts hindurch anziehen und schwere
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innere Verletzungen verursachen. In vielen Ländern wurden solche
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Magnetkugeln deshalb strengen Beschränkungen unterworfen.
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Auch für Menschen mit einem Herzschrittmacher gilt Vorsicht,
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denn ein starkes Magnetfeld kann die Funktion solcher Geräte
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stören. So verlangt die Kraft, die das
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Neodym so nützlich macht, im Umgang stets einen Wachen und
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verantwortungsvollen Blick. Kehren wir zurück zu den
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Eigenschaften des reinen Neodyms, denn es hat neben
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seinem Magnetismus noch weitere bemerkenswerte Seiten.
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In reiner Form ist Neodym ein silbrig glänzendes Metall, das
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an der Luft rasch anläuft und eine bläuliche bis gelbliche
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Oxidschicht bildet. Es ist verhältnismäßig weich und
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lässt sich mit einem Messer schneiden, an der Luft und erst
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recht in feuchter Umgebung korrodiert es schnell, weshalb
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neodym Magnete stets mit einer Schutzschicht überzogen werden.
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Meist aus Nickel, manchmal auch aus Kunststoff oder anderen
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Metallen. Ohne diesen Schutz würde ein
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neodym Magnet innerhalb kurzer Zeit zerfallen und zu Pulver
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zerbröseln. Eine besonders faszinierende
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Eigenschaft zeigt sich, wenn man Neodym in Glas Einschmilzt
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solches Neodymglas besitzt eine ungewöhnliche Farbe, die
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zwischen einem zarten violett und einem warmen Rosa changiert.
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Das Erstaunliche daran ist, dass diese Farbe sich mit der Art des
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Lichts verändert. Bei Tageslicht erscheint das
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Glas eher bläulich violett, bei künstlichem Glühlampenlicht
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dagegen rötlich. Dieser Wechsel entsteht dadurch,
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dass die Neodymionen im Glas ganz bestimmte Anteile des
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Lichtspektrums Verschlucken, insbesondere im gelben Bereich
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Neodymglas. Wird deshalb für besondere
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Ziergegenstände geschätzt und findet zugleich in der Technik
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Verwendung, etwa in Schutzbrillen für
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Glasbläserinnen und Glasbläser, deren Augen es vor dem grellen
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gelben Licht des geschmolzenen Glases bewahrt.
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Noch bedeutsamer ist die Rolle des Neodyms in der Welt der
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Laser. In einem der wichtigsten und am
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weitesten verbreiteten Lasertypen überhaupt dient
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Neodym als aktives Element. Man bettet dazu einzelne neodym
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Ionen in einen Kristall aus einem Material namens Yytrium
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Aluminiumgranat ein, kurz oft als Yps RAG bezeichnet.
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Regt man diese Neodymionen mit Licht an, so geben sie ihre
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Energie in Form eines intensiven Lichtstrahls im nahen
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Infrarotbereich wieder ab. Solche Neodym Laser sind aus der
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modernen Welt kaum wegzudenken, sie schneiden und schweißen
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Metalle in Fabriken, sie kommen in der Augenheilkunde und in
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anderen Bereichen der Medizin zum Einsatz, sie dienen der
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Vermessung und der Materialbearbeitung.
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Auch in der Forschung spielen sie eine große Rolle, etwa bei
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Versuchen zur Kernfusion, bei denen gewaltige Laseranlagen
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winzige Brennstoffkügelchen auf unvorstellbare Temperaturen
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erhitzen. So begegnet uns das Neodym
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gleich in 2 ganz verschiedenen Gestalten, einmal als stiller,
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unbeweglicher Magnet, der Kraft in sich birgt, und einmal als
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Quelle eines gebündelten Lichtstrahls von großer
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Präzision. Werfen wir noch einen Blick auf
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die Frage, wieviel Neodym es auf unserer Erde überhaupt gibt und
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wo es herkommt. Wie alle schweren Elemente ist
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auch das Neodym nicht auf der Erde entstanden, sondern im
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Inneren längst vergangener Sterne und bei gewaltigen
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kosmischen Ereignissen ein Teil der Seltenen Erden stammt aus
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den letzten Lebensphasen Sterbender Sterne als.
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Ein anderer Teil, vermutlich aus der Verschmelzung von
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Neutronensternen, jenen unglaublich dichten Überresten
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großer Sonnen. Als sich unser Sonnensystem vor
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rund viereinhalb Milliarden Jahren aus einer Wolke aus Gas
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und Staub bildete, war das Neodym bereits darin enthalten,
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ein Erbe früherer Sternengenerationen.
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So trägt jeder Neodym Magnet in einem Kopfhörer oder Windrad ein
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winziges Stück kosmischer Geschichte in sich, geschmiedet
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in den Feuern ferner Sterne, lange bevor es die Erde gab.
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In der Erdkruste liegt Neodym mit einem Anteil von etwa 28
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Gramm pro Tonne vor, was es zu einem der häufigeren Vertreter
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der Seltenen Erden macht. Die wichtigsten Minerale, aus
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denen es gewonnen wird, tragen Namen wie Bastnesit und Monazit.
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Diese Minerale enthalten ein ganzes Gemisch verschiedener
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seltener Erden, aus dem das Neodym erst in einem
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aufwändigen, mehrstufigen Verfahren herausgelöst werden
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muss. Man nutzt dazu Unterschiede in
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der Löslichkeit und im chemischen Verhalten der
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einzelnen Elemente. Die allerdings so gering sind,
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dass viele 100 Trennschritte nötig sein können, um wirklich
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reines Neodym zu erhalten. Es ist eine stille
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Meisterleistung der modernen Verfahrenstechnik, die hinter
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jedem einzelnen Gramm dieses Metalls steht, wenn du das
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nächste Mal deine Kopfhörer aufsetzt, ein Fenster im Auto
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per Knopfdruck herunterfährst. Oder an einem Windrad
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vorbeikommst dann denke einen Augenblick an dieses stille,
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silbrige Metall mit der Ordnungszahl 60 an den neuen
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Zwilling, der aus dem alten Didym geboren wurde, an die 4
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Elektronen in seiner Tief verborgenen Schale, die ihm
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seine magnetische Kraft verleihen, an die Sterne, in
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deren Feuern es einst entstand. Und vielleicht auch an die
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Verantwortung, die mit seiner Gewinnung einhergeht.
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Und an die Chance, die in einem sorgsamen und
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kreislauforientierten Umgang mit den Schätzen unserer Erde liegt.
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Denn die Rohstoffe, die uns die Natur bereitstellt, sind ein
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kostbares und begrenztes Erbe, sie klug, sparsam und mit Blick
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auf die kommenden Generationen zu nutzen, ist eine der großen
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Aufgaben, vor denen wir gemeinsam stehen.
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Ein Element wie das Neodym kann uns dabei helfen, unsere Welt
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behutsam in eine sauberere Zukunft zu führen, wenn wir es
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mit Bedacht und mit Achtung vor der Natur einsetzen, aus der es
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stammt. Ich danke dir, dass du heute mit
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auf diese Reise durch das Periodensystem gekommen bist und
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wünsche dir eine ruhige und erholsame Zeit.