Die verborgenen Elektronen der Seltenen Erden ermöglichen viele moderne Technologien

Der Shanghai Transrapid ist ein Hochgeschwindigkeitszug mit Magnetschwebebahn, der eine Geschwindigkeit von bis zu 430 Kilometern pro Stunde erreicht. Die für solche Systeme benötigten Magnete basieren auf Seltenerdmetallen. Derzeit bieten sechs Bahnen Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen mit geringem Energieverbrauch an.

Christian Petersen-Clausen/Moment Open/Getty Images Plus

Von Nikk Ogasa

4. Mai 2023 um 6:30 Uhr

Der erste Band von Frank Herberts Dune-Reihe erschien bereits 1965. Der Abbau einer kostbaren natürlichen Substanz namens Gewürzmelange war ein treibendes Thema in dieser epischen Weltraumsaga. Dieses Gewürz ermöglichte es den Menschen, weite Teile des Kosmos zu erkunden. Es wurde auch zur Grundlage einer intergalaktischen Zivilisation. Das war natürlich Fiktion.

Hier auf der Erde, im wirklichen Leben, hat eine Gruppe metallischer Elemente unsere eigene technologiegetriebene Gesellschaft ermöglicht. Diese 17 Elemente, die als seltene Erden bezeichnet werden, sind für nahezu die gesamte moderne Elektronik von entscheidender Bedeutung. Und die Nachfrage nach diesen Metallen ist sprunghaft angestiegen.

Fünfzehn Seltene Erden bilden in den meisten Periodensystemen eine ganze Reihe. Sie sind als Lanthanoide bekannt und reichen von Lanthan bis Lutetium – Ordnungszahlen 57 bis 71. Zu den Seltenen Erden gehören auch Scandium (Ordnungszahl 21) und Yttrium (Ordnungszahl 39). Die letzten beiden Elemente kommen in der Regel in denselben Erzlagerstätten vor wie die Lanthanoide. Sie haben auch ähnliche chemische Eigenschaften.

Das Seltenerdmetall Cer kann als Katalysator für die Verarbeitung von Rohöl zu einer Vielzahl nützlicher Produkte dienen. Kernreaktoren basieren auf einem anderen: Gadolinium. Es fängt Neutronen ein, um die Energieerzeugung durch den Brennstoff eines Reaktors zu steuern.

Die herausragendsten Eigenschaften seltener Erden sind jedoch ihre Lumineszenz und ihr Magnetismus. Beispielsweise setzen wir bei der Einfärbung unserer Smartphone-Bildschirme auf seltene Erden. Sie fluoreszieren, um zu signalisieren, dass es sich um Euro-Banknoten handelt. Sie leiten Signale über Glasfaserkabel entlang des Meeresbodens weiter. Sie tragen auch dazu bei, einige der stärksten und zuverlässigsten Magnete der Welt zu bauen. Diese Metalle erzeugen Schallwellen in Ihren Kopfhörern und übertragen digitale Daten durch den Weltraum.

In jüngerer Zeit haben seltene Erden das Wachstum grüner Technologien wie Windkraft und Elektrofahrzeuge vorangetrieben. Möglicherweise entstehen daraus sogar neue Teile für Quantencomputer.

„Sie sind überall“, sagt Stephen Boyd über diese Metalle. Er ist ein synthetischer Chemiker und unabhängiger Berater mit Sitz in Dixon, Kalifornien. Wenn es um die Verwendung seltener Erden geht, sagt er: „Die Liste lässt sich endlos fortsetzen.“

Seltene Erden neigen dazu, formbar (leicht zu verformen) zu sein. Diese Metalle haben auch hohe Schmelz- und Siedepunkte. Doch ihre geheime Kraft liegt in ihren Elektronen.

Alle Atome haben einen Kern, der von Elektronen umgeben ist. Diese winzigen Elektronen bewohnen Zonen, die Orbitale genannt werden. Elektronen in den Orbitalen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, werden als Valenzelektronen bezeichnet. Sie nehmen an chemischen Reaktionen teil und bilden Bindungen, die Atome miteinander verbinden.

Die meisten Lanthanoide besitzen einen weiteren wichtigen Elektronensatz. Diese „f-Elektronen“ befinden sich in einer Goldlöckchen-Zone. Es befindet sich in der Nähe der Valenzelektronen, aber etwas näher am Kern. „Es sind diese f-Elektronen, die sowohl für die magnetischen als auch die lumineszierenden Eigenschaften der Seltenerdelemente verantwortlich sind“, sagt Ana de Bettencourt-Dias. Sie ist anorganische Chemikerin an der University of Nevada, Reno.

Bei Anregung strahlen Seltenerdmetalle Licht aus. Der Trick besteht darin, ihre f-Elektronen zu kitzeln, sagt de Bettencourt-Dias. Eine Energiequelle wie ein Laserstrahl kann ein f-Elektron in einem Seltenerdelement anstoßen. Die Energie versetzt das Elektron in einen angeregten Zustand. Später fällt es wieder in seinen Ausgangs- oder Grundzustand zurück. Dabei emittieren diese f-Elektronen Licht.

Die Gruppe der 17 Elemente (in diesem Periodensystem blau hervorgehoben) wird als Seltene Erden bezeichnet. Eine Untergruppe von ihnen, bekannt als Lanthanide – Lutetium, Lu, plus die Reihe, die mit Lanthan beginnt, La – erscheinen in einer einzigen Reihe. Seltenerdelemente verfügen über eine Unterschale aus Elektronen (sogenannte F-Elektronen), die diesen Metallen magnetische und lumineszierende Eigenschaften verleihen.

Nach der Anregung emittiert jede seltene Erde zuverlässig präzise Lichtwellenlängen (Farben), stellt de Bettencourt-Dias fest. Dies ermöglicht es Ingenieuren, die elektromagnetische Strahlung (Licht) in vielen elektronischen Geräten sorgfältig abzustimmen. Terbium beispielsweise emittiert Licht mit einer Wellenlänge von etwa 545 Nanometern. Dadurch eignet es sich gut für die Erzeugung grün leuchtender Leuchtstoffe in Bildschirmen von Fernsehern, Computern und Smartphones. Europium, das in zwei gängigen Formen vorkommt, wird zur Herstellung roter und blauer Leuchtstoffe verwendet. Solche Leuchtstoffe können Bildschirme mit den meisten Regenbogenschattierungen bemalen.

Seltene Erden strahlen auch nützliches unsichtbares Licht aus. Yttrium ist ein Hauptbestandteil von Yttrium-Aluminium-Granat- oder YAG-Kristallen. Sie bilden den Kern vieler Hochleistungslaser. Ingenieure stimmen die Wellenlängen dieser Laser ab, indem sie YAG-Kristalle mit einer anderen seltenen Erde verknüpfen. Am beliebtesten: ein Neodym-bestückter YAG-Laser. Diese werden für eine Vielzahl von Dingen eingesetzt – vom Schneiden von Stahl über das Entfernen von Tätowierungen bis hin zur Laser-Entfernungsmessung. Und Erbium-YAG-Laserstrahlen sind für bestimmte Operationen eine gute Option. Sie schneiden nicht zu tief, weil ihr Licht leicht vom Wasser in unserem Gewebe absorbiert wird.

Über Laser hinaus ist Lanthan entscheidend für die Herstellung des infrarotabsorbierenden Glases in Nachtsichtbrillen. „Und Erbium treibt unser Internet an“, sagt Tian Zhong. Er ist Molekularingenieur an der University of Chicago in Illinois. Ein Großteil unserer digitalen Daten wird als Licht über optische Fasern übertragen. Typischerweise hat es eine Wellenlänge von etwa 1.550 Nanometern – die gleiche Wellenlänge wie Erbium. Die Signale in Glasfaserkabeln werden schwächer, je weiter sie sich von ihrer Quelle entfernen. Da sich diese Kabel über Tausende von Kilometern über den Meeresboden erstrecken können, wird den Fasern Erbium zugesetzt, um deren Signale zu verstärken.

Im Jahr 1945 konstruierten Wissenschaftler den weltweit ersten programmierbaren Allzweck-Digitalcomputer. Sein offizieller Name war ENIAC. Doch Wissenschaftler gaben ihm schnell den Spitznamen „Riesengehirn“. Und das war passend. Es wog mehr als vier Elefanten und bedeckte eine Fläche von etwa zwei Dritteln der Größe eines Tennisplatzes.

Weniger als 80 Jahre später verfügen unsere Smartphones über weitaus mehr Rechenleistung, als ENIAC jemals hatte. Die Gesellschaft verdankt diesen Rückgang der elektronischen Technologie zu einem großen Teil der außergewöhnlichen magnetischen Kraft seltener Erden. Und diese f-Elektronen sind der Grund dafür.

Seltene Erden haben viele Elektronenorbitale, aber die f-Elektronen bewohnen eine bestimmte Gruppe – oder Unterschale – von sieben Orbitalen. Jedes Orbital kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen. Doch die meisten Seltenen Erden enthalten in dieser Unterschale mehrere Orbitale mit nur einem Elektron.

Neodym-Atome beispielsweise besitzen vier dieser Einzelgänger. Dysprosium und Samarium sind zwei seltene Erden mit fünf Einzelelektronen. Entscheidend ist, dass diese ungepaarten Elektronen dazu neigen, in die gleiche Richtung zu zeigen – oder sich zu drehen –, sagt Boyd. „Das ist es, was den Nord- und den Südpol erschafft, die wir klassisch als Magnetismus verstehen.“

Diese einzelnen f-Elektronen flitzen hinter einer Hülle aus Valenzelektronen her. Das schützt ihre synchronisierten Spins etwas vor Hitze und anderen entmagnetisierenden Kräften. Und das macht diese Metalle ideal für den Bau von Permanentmagneten, sagt Zhong.

Die Magnetfelder in Permanentmagneten, wie sie beispielsweise Bilder an einer Kühlschranktür halten, entstehen durch die atomare Struktur der Magnete. (Im Gegensatz dazu benötigen Elektromagnete einen elektrischen Strom. Wenn Sie ihn ausschalten, wird auch der Magnetismus ausgeschaltet.)

Aber selbst mit ihrer Abschirmung haben Seltenerdmagnete ihre Grenzen. Reines Neodym beispielsweise korrodiert leicht und bricht. Auch die magnetische Anziehungskraft verliert oberhalb von 80° Celsius (176° Fahrenheit) an Stärke. Daher stellen Hersteller häufig Legierungen seltener Erden mit einigen anderen Metallen her. Dies macht diese Magnete widerstandsfähiger, als wenn sie nur aus seltenen Erden hergestellt worden wären, sagt Durga Paudyal. Er ist theoretischer Physiker am Ames National Laboratory in Iowa.

Dieser Legierungsansatz funktioniert gut, fügt er hinzu, da einige seltene Erden die Magnetfelder anderer Metalle orchestrieren können. So wie gewichtete Würfel bevorzugt auf einer Seite landen, weisen einige seltene Erden – wie Neodym und Samarium – in bestimmten Richtungen einen stärkeren Magnetismus auf. Das liegt daran, dass die Orbitale in ihren 4f-Unterschalen ungleichmäßig gefüllt sind. Diese Direktionalität kann genutzt werden, um die Felder in anderen Metallen wie Eisen oder Kobalt zu koordinieren. Das Ergebnis: robuste, extrem leistungsstarke Magnete.

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Die stärksten Legierungsmagnete sind NIBs – eine Mischung aus Neodym, Eisen und Bor. Ein 3 Kilogramm schwerer NIB-Magnet kann Gegenstände anheben, die mehr als das Hundertfache seines Gewichts haben. Mehr als 95 Prozent der weltweiten Permanentmagnete werden aus dieser Seltenerdlegierung hergestellt. Das sind die Magnete, die in Smartphones Vibrationen erzeugen und in Ohrhörern und Kopfhörern Töne erzeugen. Sie ermöglichen das Lesen und Schreiben von Daten auf Festplattenlaufwerken. Sie erzeugen auch die Magnetfelder, die in MRT-Geräten verwendet werden.

Die Zugabe von etwas Dysprosium zu diesen Magneten kann ihre Hitzebeständigkeit erhöhen. Jetzt sind sie eine gute Wahl für die Rotoren, die sich im heißen Inneren der Motoren drehen, die viele Elektrofahrzeuge antreiben.

Eine in den 1960er Jahren entwickelte Samarium-Kobalt-Legierung wurde in den ersten beliebten Seltenerdmagneten verwendet. Obwohl sie etwas schwächer als NIB-Magnete sind, weisen Samarium-Kobalt-Magnete eine überlegene Beständigkeit gegen Hitze und Korrosion auf. Dadurch eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsmotoren, Generatoren, Geschwindigkeitssensoren in Autos und Flugzeugen – und in den beweglichen Teilen einiger wärmesuchender Raketen. Samarium-Kobalt-Magnete bilden auch das Herzstück der Geräte, mit denen die von den meisten Radarsystemen und Kommunikationssatelliten ausgesendeten Signale verstärkt werden. Einige dieser auf seltenen Erden basierenden Signalverstärker übertragen Daten von der Raumsonde Voyager 1. Dieses im September 1977 gestartete Raumschiff ist das am weitesten entfernte von Menschenhand geschaffene Objekt – bereits mehr als 23 Milliarden Kilometer (14 Milliarden Meilen) entfernt.

Starke und zuverlässige Seltenerdmagnete sind auch das Herzstück vieler grüner Technologien. Sie stecken in Motoren, Antriebssträngen, Servolenkungen und vielen anderen Teilen von Elektroautos. Teslas Verwendung von Neodym-Legierungsmagneten in seinen leistungsstärksten Modell-3-Autos hat Befürchtungen geweckt, dass Magnethersteller bald Schwierigkeiten haben könnten, genügend Neodym zu bekommen (das größtenteils in China abgebaut wird).

Seltenerdmagnete ersetzen auch Getriebe in vielen Offshore-Windkraftanlagen. Sie tragen dazu bei, die Effizienz der Turbinen zu steigern und den Wartungsaufwand zu senken. Und im August stellten chinesische Ingenieure „Rainbow“ vor. Es ist die weltweit erste Magnetschwebebahn, die auf seltenen Erden basiert. Seine Magnete ermöglichen es den Zügen, über ihren Gleisen zu schweben, ohne Strom zu verbrauchen.

Seltene Erden könnten sogar schon bald das Quantencomputing voranbringen. Herkömmliche Computer speichern und zeichnen Daten als Binärbits auf – Nullen und Einsen. Quantencomputer nutzen stattdessen Quantenbits. Sie werden auch Qubits genannt und können zwei Datenzustände gleichzeitig einnehmen. Kristalle, die seltene Erden enthalten, seien gute Qubits, sagt Zhong, weil ihre abgeschirmten f-Elektronen Quantendaten über lange Zeiträume speichern können. Eines Tages könnten Wissenschaftler sogar die Lichtemissionseigenschaften von Qubits aus seltenen Erden manipulieren, um Informationen zwischen Quantencomputern auszutauschen. Es könnte ein Quanteninternet entstehen, sagt Zhong.

Es ist noch zu früh, um genau vorherzusagen, wie Seltenerdmetalle den Ausbau all dieser neuen Technologien vorantreiben werden. Aber man kann wohl mit Fug und Recht sagen: Seltene Erden sollten nicht zu selten sein, denn wir werden viele davon brauchen.

Legierung: Eine Mischung aus einem Metall und einem oder mehreren Elementen (metallisch oder nichtmetallisch), bei der die einzelnen Elemente auf mikroskopischer Ebene gründlich vermischt sind.

Atom : Die Grundeinheit eines chemischen Elements. Atome bestehen aus einem dichten Kern, der positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen enthält. Der Kern wird von einer Wolke negativ geladener Elektronen umkreist.

Ordnungszahl: Die Anzahl der Protonen in einem Atomkern, die die Art des Atoms und sein Verhalten bestimmt.

Banknote : Ein Begriff für die faltbare Papierwährung (einige Länder verwenden mittlerweile möglicherweise Plastik). Banknoten – manchmal auch Scheine genannt, wie zum Beispiel ein „20-Dollar-Schein“ – gibt es in verschiedenen Nennwerten und können je nach Farbe oder Größe variieren. Aufgrund ihrer überwiegend grünen Farbe werden US-Banknoten oft als „Greenbacks“ bezeichnet.

binär : Etwas, das aus zwei integralen Teilen besteht. (in Mathematik und Informatik) Ein Zahlensystem, bei dem Werte durch zwei Symbole dargestellt werden: 1 (ein) oder 0 (aus).

bisschen : (in der Informatik) Der Begriff ist die Abkürzung für Binärziffer. Es hat einen Wert von entweder 0 oder 1.

Bindung : (in der Chemie) Eine semipermanente Bindung zwischen Atomen – oder Atomgruppen – in einem Molekül. Es entsteht durch eine Anziehungskraft zwischen den beteiligten Atomen. Sobald die Atome verbunden sind, funktionieren sie als Einheit. Um die einzelnen Atome zu trennen, muss dem Molekül Energie in Form von Wärme oder einer anderen Art von Strahlung zugeführt werden.

Bor: Das chemische Element mit der Ordnungszahl 5. Sein wissenschaftliches Symbol ist B.

Katalysator : (v. katalysieren) Eine Substanz, die dazu beiträgt, dass eine chemische Reaktion schneller abläuft. Beispiele hierfür sind Enzyme und Elemente wie Platin und Iridium.

chemische Reaktion: Ein Prozess, bei dem die Moleküle oder die Struktur einer Substanz neu angeordnet werden, im Gegensatz zu einer Änderung der physikalischen Form (z. B. von einem Feststoff zu einem Gas).

Berater : Jemand, der als externer Experte arbeitet, normalerweise für ein Unternehmen oder eine Branche. „Unabhängige“ Berater arbeiten oft allein, als Einzelpersonen, die einen Vertrag unterzeichnen, um ihre Fachberatung oder analytischen Fähigkeiten für kurze Zeit einem Unternehmen oder einer anderen Organisation zur Verfügung zu stellen.

Kern: Etwas – normalerweise rundes – in der Mitte eines Objekts.

korrodieren: (n. Korrosion) Ein chemischer Prozess, der normalerweise robuste Materialien wie Metalle oder Gestein schwächt oder zerstört.

Kosmos: (adj. kosmisch) Ein Begriff, der sich auf das Universum und alles darin bezieht.

Rohöl: Erdöl in der Form, wie es aus der Erde kommt.

Digital: (in Informatik und Ingenieurwesen) Ein Adjektiv, das darauf hinweist, dass etwas numerisch auf einem Computer oder einem anderen elektronischen Gerät entwickelt wurde, basierend auf einem Binärsystem (wobei alle Zahlen nur durch eine Reihe von Nullen und Einsen angezeigt werden).

elektrischer Strom: Ein Fluss elektrischer Ladung – Elektrizität – normalerweise aus der Bewegung negativ geladener Teilchen, sogenannter Elektronen.

Elektrizität: Ein Ladungsfluss, der normalerweise durch die Bewegung negativ geladener Teilchen, sogenannter Elektronen, entsteht.

elektromagnetische Strahlung : Energie, die sich als Welle ausbreitet, einschließlich Lichtformen. Elektromagnetische Strahlung wird typischerweise nach ihrer Wellenlänge klassifiziert. Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung reicht von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. Dazu gehören auch Mikrowellen und sichtbares Licht.

Elektron : Ein negativ geladenes Teilchen, das normalerweise die äußeren Regionen eines Atoms umkreist; auch der Träger der Elektrizität in Festkörpern.

Elektronik: Geräte, die mit Elektrizität betrieben werden, deren Eigenschaften jedoch durch Halbleiter oder andere Schaltkreise gesteuert werden, die die Bewegung elektrischer Ladungen kanalisieren oder steuern.

Element : Ein Baustein einer größeren Struktur. (in der Chemie) Jede von mehr als hundert Substanzen, deren kleinste Einheit jeweils ein einzelnes Atom ist. Beispiele hierfür sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Lithium und Uran.

Ingenieur : Eine Person, die Naturwissenschaften und Mathematik nutzt, um Probleme zu lösen. Als Verb bedeutet „konstruieren“, ein Gerät, ein Material oder einen Prozess zu entwerfen, der ein Problem oder einen unerfüllten Bedarf löst.

Europium : Ein seltenes chemisches Element, das in reiner Form als Silbermetall erscheint. Es kommt in einigen Mineralien vor und kann zur Rückverfolgung der Herkunft von Mineralkörnern verwendet werden, die über weite Strecken durch Wasser oder Wind transportiert werden.

f-Elektronen : Dies sind die Elektronen (bis zu 14), die in der Hülle größerer Atome leben können. In dieser „f“-Schale gibt es sieben Orbitale. Jedes dieser Orbitale kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen.

Faser: Etwas, dessen Form einem Faden oder Filament ähnelt.

Fiktion: (Adj. fiktiv) Eine Idee oder eine Geschichte, die erfunden ist, keine Darstellung realer Ereignisse.

Feld: (in der Physik) Eine Region im Raum, in der bestimmte physikalische Effekte wirken, wie etwa Magnetismus (erzeugt durch ein Magnetfeld), Schwerkraft (durch ein Gravitationsfeld), Masse (durch ein Higgs-Feld) oder Elektrizität (durch ein elektrisches Feld).

fluoreszieren : (adj. fluoreszierend) Der Prozess, bei dem Licht einer Wellenlänge (Farbe) absorbiert und als eine andere Wellenlänge wieder emittiert wird. Dieses wieder emittierte Licht wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Gewalt: Ein äußerer Einfluss, der die Bewegung eines Körpers verändern, Körper nahe beieinander halten oder Bewegung oder Spannung in einem stationären Körper erzeugen kann.

Fraktur : (Substantiv) Eine Pause. (Verb) Etwas zerbrechen und Risse oder eine Spaltung von etwas hervorrufen.

Generator: Ein Gerät zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie.

Goldlöckchen-Zone: Ein Begriff, den Wissenschaftler möglicherweise verwenden, um einen engen Bereich innerhalb eines Kontinuums zu beschreiben, der „genau richtig“ ist, damit etwas geschieht.

Grün: (in Chemie und Umweltwissenschaften) Ein Adjektiv zur Beschreibung von Produkten und Prozessen, die für Lebewesen oder die Umwelt kaum oder gar keinen Schaden verursachen.

Gastgeber : (v.) Der Akt, für etwas ein Zuhause oder eine Umgebung bereitzustellen. Eine Website könnte beispielsweise Fotos, Nachrichten oder andere Arten von Informationen hosten.

intergalaktisch: Ein Adjektiv, das eine Position zwischen Galaxien beschreibt.

Internet : Ein elektronisches Kommunikationsnetzwerk. Es ermöglicht Computern überall auf der Welt, sich mit anderen Netzwerken zu verbinden, um Informationen zu finden, Dateien herunterzuladen und Daten (einschließlich Bilder) auszutauschen.

Eisen : Ein metallisches Element, das in Mineralien in der Erdkruste und in ihrem heißen Kern häufig vorkommt. Dieses Metall kommt auch im kosmischen Staub und in vielen Meteoriten vor.

Lanthanoide : Eine Reihe von 15 Metallen, alle radioaktiv – und daher giftig. Sie werden in der Regel unterhalb der obersten sieben Zeilen eines herkömmlichen Periodensystems der Elemente angezeigt. Ihre Ordnungszahlen reichen von 57 (Lanthan) bis 71 (Lutetium). Aktinide wurden erstmals 1787 aus Gadolinit isoliert, einem Mineral, das in Ytterby, Schweden, gefunden wurde. Aus dem Namen dieser Stadt entstand der Name Ytterbium (Ordnungszahl 70) für eines der Elemente, die schließlich aus Gadolinit isoliert wurden. Wie die Aktiniden werden auch die Lanthanidenelemente als Seltenerdmetalle bezeichnet.

Laser : Ein Gerät, das einen intensiven kohärenten Lichtstrahl einer einzigen Farbe erzeugt. Laser werden beim Bohren und Schneiden, beim Ausrichten und Führen, bei der Datenspeicherung und in der Chirurgie eingesetzt.

Lumineszenz : Das durch einen chemischen Prozess bei relativ niedrigen Temperaturen erzeugte Leuchten. Einige Tiere können aufgrund chemischer Reaktionen in ihrem Körper lumineszieren.

Magnet: Ein Material, das normalerweise Eisen enthält und dessen Atome so angeordnet sind, dass sie bestimmte Metalle anziehen.

Magnetfeld: Ein Einflussbereich, der durch bestimmte Materialien, sogenannte Magnete, oder durch die Bewegung elektrischer Ladungen entsteht.

Magnetismus: Der anziehende Einfluss oder die Anziehungskraft, die durch bestimmte Materialien, sogenannte Magnete, oder durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt wird.

formbar : Etwas, dessen Form verändert werden kann, normalerweise durch Hämmern oder anderweitige Verformung durch Druck. (in der Sozialwissenschaft) Einstellungen oder Verhaltensweisen, die durch sozialen Druck oder Logik geändert werden können.

Metall: Etwas, das Elektrizität gut leitet, dazu neigt, zu glänzen (reflektierend) und formbar zu sein (d. h. es kann mit Hitze und nicht zu viel Kraft oder Druck umgeformt werden).

Modell : Eine Simulation eines realen Ereignisses (normalerweise mithilfe eines Computers), die entwickelt wurde, um ein oder mehrere wahrscheinliche Ergebnisse vorherzusagen. Oder eine Person, die zeigen soll, wie etwas bei anderen wirken oder auf sie wirken würde.

Motor : Ein Gerät, das Elektrizität in mechanische Bewegung umwandelt. (in der Biologie) Ein Begriff, der sich auf Bewegung bezieht.

MRT : Abkürzung für Magnetresonanztomographie. Dabei handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung weicher innerer Organe wie Gehirn, Muskeln, Herz und Krebstumoren. Bei der MRT werden starke Magnetfelder genutzt, um die Aktivität einzelner Atome aufzuzeichnen.

Nanometer : Ein Milliardstel Meter. Es ist eine so kleine Einheit, dass Forscher sie als Maßstab für die Messung von Lichtwellenlängen oder Abständen innerhalb von Molekülen verwenden. Zur Veranschaulichung: Ein durchschnittliches menschliches Haar ist etwa 60.000 Nanometer breit.

navigieren: Den Weg durch eine Landschaft mithilfe visueller Hinweise, sensorischer Informationen (z. B. Gerüche), magnetischer Informationen (z. B. eines inneren Kompasses) oder anderer Techniken finden.

Neodym : Ein chemisches Element, das in reiner Form als weiches, silbriges Metall erscheint. Es kommt in einigen Mineralien vor und kann zur Rückverfolgung der Herkunft von Mineralkörnern verwendet werden, die über weite Strecken durch Wasser oder Wind transportiert werden. Sein wissenschaftliches Symbol ist Nd.

Neutron : Ein subatomares Teilchen, das keine elektrische Ladung trägt und eines der Grundbestandteile der Materie ist. Neutronen gehören zur Teilchenfamilie der Hadronen.

Kern : Plural ist Kerne. (in der Biologie) Eine dichte Struktur, die in vielen Zellen vorhanden ist. Der Zellkern ist typischerweise eine einzelne, abgerundete Struktur, die von einer Membran umgeben ist und genetische Informationen enthält. (in der Astronomie) Der felsige Körper eines Kometen, der manchmal eine Hülle aus Eis oder gefrorenen Gasen trägt. (in der Physik) Der zentrale Kern eines Atoms, der den größten Teil seiner Masse enthält.

Glasfaser: Ein langer Glasstrang oder eine andere Faser, die zur Übertragung von Lichtsignalen verwendet wird (z. B. zur Übertragung von Telefon-, Fernseh- und anderen Kommunikationssignalen).

Orbital : Adjektiv für etwas, das mit Umlaufbahnen zu tun hat. (in der Chemie und subatomaren Physik) Das/die Muster von Elektronen (und ihre Dichte), die sich innerhalb eines Atoms oder Moleküls bilden.

Erz: Ein natürlich entstandenes Gestein oder Mineral, das ein Metall enthält, das für eine neue Verwendung gewonnen werden kann.

Phosphor : Eine synthetische Chemikalie, die leuchtet, wenn sie durch Elektronen angeregt wird. Typischerweise wird es (häufig in Kombination mit anderen) zur Beschichtung von LEDs, Leuchtstofflampen oder Kathodenstrahlröhren verwendet, um eine gewünschte Lichtfarbe zu erzeugen.

Physiker: Ein Wissenschaftler, der die Natur und Eigenschaften von Materie und Energie untersucht.

Stangen: (in Physik und Elektrotechnik) Die Enden eines Magneten.

programmierbar: Ein Gerät oder System, das einen Computer enthält und dessen Funktionen auf vorgeschriebene Weise geändert werden können, normalerweise wie vom Benutzer oder Hersteller festgelegt.

Quantum: (pl. Quanten) Ein Begriff, der sich auf die kleinste Menge von irgendetwas bezieht, insbesondere auf Energie oder subatomare Masse.

Radar : Ein System zur Berechnung der Position, Entfernung oder anderer wichtiger Merkmale eines entfernten Objekts. Es funktioniert, indem es periodische Radiowellen aussendet, die vom Objekt reflektiert werden, und dann misst, wie lange es dauert, bis das reflektierte Signal zurückkehrt. Radar kann sich bewegende Objekte wie Flugzeuge erkennen. Es kann auch verwendet werden, um die Form von Land zu kartieren – sogar von Land, das mit Eis bedeckt ist.

strahlen : (in der Physik) Energie in Form von Wellen aussenden. (N.Strahlung)

Reichweite : Das volle Ausmaß oder die Verteilung von etwas. Beispielsweise ist das Verbreitungsgebiet einer Pflanze oder eines Tieres das Gebiet, in dem sie natürlich vorkommen.

seltene Erden: (in der Geowissenschaft) Hierbei handelt es sich um eine Gruppe von Metallelementen, die dazu neigen, weich, biegsam und chemisch reaktiv zu sein.

robust : (n. Belastbarkeit) Sich relativ schnell von Hindernissen oder schwierigen Bedingungen erholen können. (bei Materialien) Die Fähigkeit von etwas, nach Biegen oder anderweitiger Verformung des Materials zurückzufedern oder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.

Widerstand: (in der Physik) Etwas, das ein physisches Material (z. B. einen Holzblock, einen Wasser- oder Luftstrom) daran hindert, sich frei zu bewegen, normalerweise weil es Reibung erzeugt, um seine Bewegung zu behindern.

Satellit: Ein Mond, der einen Planeten umkreist, oder ein Fahrzeug oder ein anderes hergestelltes Objekt, das einen Himmelskörper im Weltraum umkreist.

Sensor : Ein Gerät, das Informationen über physikalische oder chemische Bedingungen – wie Temperatur, Luftdruck, Salzgehalt, Luftfeuchtigkeit, pH-Wert, Lichtintensität oder Strahlung – aufnimmt und diese Informationen speichert oder sendet. Wissenschaftler und Ingenieure verlassen sich häufig auf Sensoren, um sie über Bedingungen zu informieren, die sich im Laufe der Zeit ändern können oder die weit entfernt sind, wo ein Forscher sie direkt messen kann.

Hülse: (in der Physik) Die Umlaufbahnen, die Elektronen um den Kern eines Atoms nehmen.

Smartphone: Ein Mobiltelefon (oder Mobiltelefon), das eine Vielzahl von Funktionen ausführen kann, einschließlich der Suche nach Informationen im Internet.

Gesellschaft: Eine integrierte Gruppe von Menschen oder Tieren, die im Allgemeinen zum Wohle aller zusammenarbeitet und sich gegenseitig unterstützt.

Schallwelle : Eine Welle, die Schall überträgt. Schallwellen weisen abwechselnd hohe und niedrige Druckbereiche auf.

Synthetik : Ein Adjektiv, das etwas beschreibt, das nicht auf natürliche Weise entstanden ist, sondern von Menschen geschaffen wurde. Viele synthetische Materialien wurden als Ersatz für natürliche Materialien entwickelt, beispielsweise synthetischer Kautschuk, synthetischer Diamant oder ein synthetisches Hormon. Einige haben möglicherweise sogar eine identische chemische Zusammensetzung und Struktur wie das Original.

System : Ein Netzwerk aus Teilen, die zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Beispielsweise sind Blut, Gefäße und Herz die Hauptbestandteile des Kreislaufsystems des menschlichen Körpers. Ebenso gehören Züge, Bahnsteige, Gleise, Fahrbahnsignale und Überführungen zu den potenziellen Komponenten des Eisenbahnsystems eines Landes. Das System kann sogar auf Prozesse oder Ideen angewendet werden, die Teil einer Methode oder eines geordneten Satzes von Verfahren zur Erledigung einer Aufgabe sind.

Technologie: Die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse für praktische Zwecke, insbesondere in der Industrie – oder die Geräte, Prozesse und Systeme, die aus diesen Bemühungen resultieren.

theoretisch : Ein Adjektiv für eine Analyse oder Bewertung von etwas, die auf bereits vorhandenem Wissen darüber basiert, wie sich Dinge verhalten. Es basiert nicht auf experimentellen Versuchen. In der theoretischen Forschung wird in der Regel Mathematik eingesetzt, die normalerweise von Computern durchgeführt wird, um vorherzusagen, wie oder was bei einer bestimmten Reihe von Bedingungen eintreten wird. Anschließend sind experimentelle Tests oder Beobachtungen natürlicher Systeme erforderlich, um die Vorhersagen zu bestätigen.

Gewebe : Es besteht aus Zellen und ist eine der verschiedenen Arten von Materialien, aus denen Tiere, Pflanzen oder Pilze bestehen. Zellen innerhalb eines Gewebes arbeiten als Einheit, um in lebenden Organismen eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Beispielsweise bestehen verschiedene Organe des menschlichen Körpers oft aus vielen verschiedenen Gewebearten.

Wertigkeit : (in Chemie und Physik) Die Elektronen eines Atoms, die an der chemischen Bindung beteiligt sind. Valenzelektronen sind normalerweise die äußersten Elektronen (diejenigen, die am weitesten vom Kern entfernt sind).

sichtbares Licht : Eine Art elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen zwischen 380 Nanometern (violett) und 740 Nanometern (rot). Sichtbares Licht hat Wellenlängen, die kürzer als Infrarotlicht, Mikrowellen und Radiowellen, aber länger als ultraviolettes Licht, Röntgen- und Gammastrahlen sind.

Welle: Eine Störung oder Variation, die sich regelmäßig und oszillierend durch Raum und Materie ausbreitet.

Wellenlänge : Der Abstand zwischen einem Gipfel und dem nächsten in einer Reihe von Wellen oder der Abstand zwischen einem Tiefpunkt und dem nächsten. Es ist auch einer der „Maßstäbe“ zur Messung der Strahlung. Sichtbares Licht – das sich wie alle elektromagnetische Strahlung in Wellen ausbreitet – umfasst Wellenlängen zwischen etwa 380 Nanometern (violett) und etwa 740 Nanometern (rot). Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als sichtbares Licht umfasst Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolettes Licht. Zu den längerwelligen Strahlungen zählen Infrarotlicht, Mikrowellen und Radiowellen.

Windkraftanlage: Ein windbetriebenes Gerät – ähnlich dem Typ, der vor langer Zeit zum Mahlen von Getreide (Windmühlen) verwendet wurde – zur Stromerzeugung.

Tagebuch:​ ​​H. Brunckova et al. Lumineszenzeigenschaften von Neodym-, Samarium- und Europiumniobat- und -tantalat-Dünnfilmen. Lumineszenz. Bd. 37, April 2022, S. 642. doi: 10.1002/bio.4205.

Tagebuch:​ V. Balaram. Seltenerdelemente: Ein Überblick über Anwendungen, Vorkommen, Exploration, Analyse, Recycling und Umweltauswirkungen. Geowissenschaftliche Grenzen. Bd. 10, Juli 2019, S. 1285. doi: 10.1016/j.gsf.2018.12.005.

Buchkapitel:​ LU Khan und ZU Khan. Seltenerdlumineszenz: Elektronische Spektroskopie und Anwendungen. In: Handbuch der Materialcharakterisierung. Springer, Cham. 19. September 2018, S. 1. 345. doi: 10.1007/978-3-319-92955-2_10.

Tagebuch:​ K. Binnemans et al. Seltene Erden und das Gleichgewichtsproblem: Wie geht man mit sich verändernden Märkten um? Zeitschrift für nachhaltige Metallurgie. Bd. 4, 9. Februar 2018, S. 126. doi: 10.1007/s40831-018-0162-8.

Tagebuch:​ R. Skomski und DJ Sellmyer. Anisotropie von Seltenerdmagneten. Zeitschrift für Seltene Erden. Bd. 27. August 2009, S. 675. doi: 10.1016/S1002-0721(08)60314-2.

Tagebuch:​ JF Suyver und A. Meijerink. Europium schützt den Euro. Chemisch2Weekblad. Bd. 98-4, 16. Februar 2002, S. 12.

Nikk Ogasa ist ein festangestellter Autor, der sich bei Science News auf die Naturwissenschaften konzentriert. Er hat einen Master-Abschluss in Geologie von der McGill University und einen Master-Abschluss in Wissenschaftskommunikation von der University of California, Santa Cruz.

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