Diesen Artikel gibt es übrigens auch auf die Ohren, als Podcast. Hier ist der Link zum Reinhören: Buchvorstellung „Material World“ auf Spotify.

Die Digitale Welt hat etwas Schwereloses: Virtuelle Welten, flüchtige Bilder auf den Social Media Kanälen, Daten, Bits und Bytes. Und doch hat diese digitale Erfahrung eine ganz und gar materielle Grundlage – nicht zuletzt der Diskurs um den Energieverbrauch von KI-Rechenzentren macht diese materielle Seite von Digitalem sichtbar. Und ein Blick hierauf ist lohnenswert.

Ich möchte ein Buch vorstellen und empfehlen, das mich sehr begeistert hat. „Material World“ von Ed Conway. Der Autor geht darin der immensen Relevanz von 6 Rohstoffen für unsere moderne Zivilisation nach, in weiten Teilen eine Industrie- und Technologiegeschichte. In seinem Werk „Material World“ fokussiert er dabei auf sechs essenzielle Substanzen, ohne die unsere moderne Welt nicht existieren würde: Sand, Eisen, Salz, Öl, Kupfer und Lithium.

Conway nimmt uns dabei mit auf eine faszinierende Erkundungstour. Wir reisen zu den Hotspots der Rohstoffgewinnung, zu einigen der wichtigsten Minen der Welt, aber ebenso zu den Verarbeitungsstätten, wie zum Beispiel den gigantischen Siliziumchip-Fabriken in Taiwan. Das Buch besticht durch einen schwungvollen Erzählstil, setzt nicht allzu viel Vorwissen in Chemie und Physik voraus und ordnet technische Entwicklungen immer auch in ihren wirtschaftlichen und historischen Kontext ein. Wer sich dafür interessiert: Das Buch hat rund 500 Seiten, ist bei Hoffmann & Campe erschienen und kostet 28 Euro.

Ich möchte dir nachfolgend zwei Themen aus dem Buch herausgreifen, die insbesondere für unsere digitale Welt eine entscheidende Rolle spielen: Zum einen die Herstellung von Silizium-Wafern auf Basis von hochreinem Quarz; zum anderen die Gewinnung von Lithium, dem Rohstoff für unsere allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien.

 Viel Spaß!

SILIZIUM | SAND

Im ersten Kapitel widmet sich der Autor direkt einem Stoff, den wir alle kennen: Sand. Wenn Conway über Sand spricht, beleuchtet er natürlich zunächst dessen immense Bedeutung für die Bau- und Glasindustrie. Aber er geht noch einen entscheidenden Schritt weiter. Ausgehend von der Tatsache, dass Sand im Grunde aus Quarz – also Siliziumdioxid – besteht, taucht er tief in die Welt der Siliziumherstellung ein.

Diese faszinierende Reise nimmt ihren Anfang beim Abbau von hochreinem Quarz, genauer gesagt in Spanien, unweit des bekannten Wallfahrtsorts Santiago de Compostela. Ich zitiere kurz aus dem Buch:

„Serrabal ist eine Quarzmine. Die Gesteinsschicht, die den Pico Sacro und die umgebenden kleineren Hügel gen Himmel gehoben hat, ist eine der reinsten Quarzlagerstätten, die in der Welt zu finden sind. Das weiße Gestein ist überall heiß begehrt.“

Doch mit dem Abbau allein ist es nicht getan. Für die aufwendige Weiterverarbeitung geht die Reise nach Burghausen in Oberbayern, nahe der österreichischen Grenze, wo das sogenannte Siemens-Verfahren zum Einsatz kommt. Dieses in den 1950er Jahren entwickelte Verfahren ist ein technisches Meisterstück, um polykristallines Silizium von extremer Reinheit herzustellen. Dabei wird metallisches Silizium zunächst zu Pulver zermahlen und mit gasförmigem Chlorwasserstoff vermischt. Bei Temperaturen von über 1100 Grad Celsius wird das Material in einem Reaktor destilliert und quasi auf atomarer Ebene neu zusammengesetzt. Am Ende dieses Prozesses wachsen an heißen Stäben dicke Schichten aus hochreinem Silizium heran.

Dieser Vorgang ist allerdings extrem energieintensiv. Um dir eine Vorstellung zu geben: Die Herstellung von hochreinem Silizium verbraucht etwa 3000-mal so viel Energie wie die Produktion von Zement und 1000-mal mehr als die Umwandlung von Eisen in Stahl. Es ist ein anspruchsvoller und kostspieliger Prozess, aber das Ergebnis ist spektakulär: Eine Substanz, die reiner ist als fast alles andere auf unserem Planeten.

Die Reinheit dieses Siliziums wird in sogenannten „Neunen“ gemessen. Für einfache Solarzellen reicht Silizium mit acht Neunen – also 99,999999 Prozent Reinheit. Der absolute Höhepunkt ist jedoch das Halbleitersilizium für unsere Computerchips. Hier sprechen wir von bis zu elf Neunen. Das bedeutet: Auf 10 Milliarden reine Siliziumatome kommt höchstens ein einziges Fremdatom! Es ist also kaum verwunderlich, dass Conway diesem Abschnitt die treffende Überschrift „Die reinste Substanz der Welt“ gegeben hat.

Für den nächsten magischen Verarbeitungsschritt führt uns die Reise in die USA. Das hochreine polykristalline Silizium muss nun zu sogenannten Wafern verarbeitet werden – das sind die hauchdünnen Scheiben, auf denen später die Mikrochips entstehen. Dies geschieht im Unternehmen Shin-Etsu, und zwar nach dem Czochralski-Verfahren, benannt nach dem polnischen Chemiker Jan Czochralski, der das Prinzip 1916 eher durch Zufall entdeckte. Dabei wird ein winziger Impfkristall in geschmolzenes Silizium getaucht und unter ständiger Rotation langsam herausgezogen, sodass ein gigantischer, perfekt strukturierter Einkristall heranwächst.

Um das Silizium bei diesen extremen Temperaturen zu schmelzen, benötigt man spezielle Tiegel. Und diese Tiegel können nicht aus irgendeinem Material bestehen – sie erfordern das allerreinste Quarz der Welt. Und faszinierenderweise gibt es auf unserem gesamten Planeten nur einen einzigen Ort, der Quarz in dieser benötigten Qualität liefert. Conway beschreibt das so:

„Die Tiegel, in denen bei Shin-Etsu das hochreine Silizium geschmolzen wird, bevor man es zu dem idealen Klumpen zieht und dann zu Wafern schneidet, bestehen aus einer ganz bestimmten Form von Quarz, und die findet man nur an einem einzigen Ort auf der Welt. Dass ein einzelner Ort die globale Versorgung mit einem entscheidenden Material kontrolliert, ist selten und nahezu unerhört. Aber hochreines Quarz – der Typ, aus dem die Tiegel bestehen müssen, weil man sonst keine Silizium-Wafer herstellen könnte – muss aus Spruce Pine stammen, einer Kleinstadt in den Blue Ridge Mountains in North Carolina. Lange Zeit wurde die Mine – und damit auch die gesamte weltweite Versorgung mit hochreinem Quarz – von einer einzigen Firma betrieben, einem verschwiegenen belgischen Unternehmen namens Sibelco.“ […] „Heute gibt es in Spruce Pine zwei Minen. Neben Sibelco arbeitet dort die kleinere Quartz Corp, die ihre abgebauten Steine zur Verarbeitung nach Norwegen schickt.“

Die gesamte Verarbeitungskette des Siliziums ist ein wahrer Paradelauf von exklusiven Rohstoffen und verblüffender Hochtechnologie. Diese extreme Reinheit und Spitzentechnologie ist zwingend erforderlich, denn auf unvorstellbar kleinem Raum wird hier der zentrale Baustein unseres digitalen Zeitalters gebaut. Stell dir vor: Auf einem modernen Smartphone-Prozessor drängen sich heute rund 12 Milliarden Transistoren – und das auf einer Fläche, die kleiner ist als ein Quadratzentimeter!

Ein abschließendes Beispiel aus dem Buch illustriert diese unfassbare Präzision perfekt. Wir befinden uns nun bei TSMC in Taiwan, einem der weltweit größten Chip-Hersteller. Hier werden die winzigen Schaltpläne mittels extremer ultravioletter Strahlung auf die Silizium-Wafer belichtet. Da wir uns hier quasi im atomaren Bereich bewegen, müssen die eingesetzten Werkzeuge absolut fehlerfrei sein. Dazu ein paar Zeilen aus Ed Conways Buch:

„Um das EUV-Licht auf den Wafer zu lenken, produziert Zeiss als Zulieferer von ASML sogenannte Bragg-Reflektoren, besondere Spiegel, die aus Silizium- und Molybdänschichten bestehen. Wie diese Spiegel im Einzelnen hergestellt werden, ist wiederum ein wohlgehütetes Betriebsgeheimnis; nach Angaben eines Ingenieurs müssen wir uns mit der Information begnügen, dass sie aus Dutzenden von Schichten bestehen, von Robotern poliert und auf der Außenschicht mit Ionenstrahlen korrigiert werden und vermutlich die glattesten von Menschen hergestellten Strukturen im Universum sind. Würde man einen von ihnen auf die Größe der Vereinigten Staaten aufblasen, wäre die größte Erhebung noch nicht einmal einen halben Millimeter hoch.“

Kleiner persönlicher Hinweis am Rande: Ich habe tatsächlich ein Stück solches Labor-Silizium in meiner eigenen Mineraliensammlung. Der Mineralienhandel in Berlin-Rudow hatte mal eine Charge aufgekauft, die aufgrund eines winzigen Produktionsfehlers für die High-Tech-Weiterverarbeitung nicht mehr geeignet war. Ein wirklich faszinierendes Metall, das in der Hand erstaunlich leicht wirkt, aber so schwerwiegende Bedeutung für unsere Welt hat.

LITHIUM: DAS WEISSE GOLD DER ENERGIEWENDE

Von der digitalen Revolution, die durch Silizium erst möglich wurde, spannt Conway den Bogen zur nächsten großen globalen Transformation: der Energiewende. Wenn wir weg von fossilen Brennstoffen und hin zu erneuerbaren Energien wollen, stehen wir vor einem massiven Problem: Wir müssen den Strom aus Sonne und Wind effizient speichern können. Und genau hier betritt der nächste Star aus Conways Buch die Bühne – ein Metall, das so reaktionsfreudig ist, dass es in der Natur niemals in reiner Form vorkommt: das Lithium. Diesem Element widmet sich Conway im sechsten Kapitel seines umfangreichen Werkes.

Batterien spielen heute eine absolute Schlüsselrolle. Interessanterweise experimentierte schon Thomas Alva Edison Anfang des 20. Jahrhunderts mit Lithium als Bestandteil von Batterien. Die Eignung von Lithium für Batterien wurde schnell klar, wenngleich die erfolgreiche Entwicklung einer Batterie auf Basis von Lithium lange auf sich warten ließ: Conway schreibt dazu:

„Aber de facto gelang es bis in die 1970er Jahre niemandem, diese widerspenstige Substanz so zu zähmen, dass man sie in einer Batterie nutzbar machen konnte. Batterien sind eine Form von Brennstoff – allerdings kein fossiler, sondern elektrochemischer Brennstoff. Innerhalb einer Batterie läuft eine kontrollierte chemische Reaktion ab, das heißt, man muss die in diesen Materialien enthaltene explosive Energie kanalisieren und in elektrischen Strom ummünzen. Und kein Bestandteil war explosiver als Lithium.“

Es dauerte noch bis ins Jahr 1991, bis der Elektronikkonzern SONY die erste serienreife Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt brachte – damals als kompaktes Batteriepaket für ihre Handycam-Videokameras. Das war der Startschuss für eine Revolution. Seitdem explodiert die Nachfrage nach Lithium förmlich, angetrieben durch Smartphones, Laptops und vor allem durch die rasante Zunahme von Elektroautos.

Um zu verstehen, woher dieser begehrte Rohstoff kommt, führt uns Conway nach Südamerika, genauer gesagt nach Chile. Dort, im sogenannten „Lithium-Dreieck“ zwischen Chile, Argentinien und Bolivien, befindet sich im Salar de Atacama die größte einzelne Lithiumlagerstätte der Welt. Conway überschreibt dieses Unterkapitel treffend mit dem Titel „Weißes Gold“.

Der Salar de Atacama ist eine atemberaubende, ausgedehnte Senke, in der sich leuchtend rote Seen mit weißen Salzbergen und rauchenden Vulkanen abwechseln. Der Kern dieses Gebietes ist die trockenste Region der Erde. Diese extreme Trockenheit ist kein Zufall, sondern das Ergebnis einer besonderen geologischen Lage: Diese Wüste aus Sand, Stein und Salz liegt in einem doppelten Regenschatten. Im Osten blockieren die massiven Anden die Wolken, im Westen das chilenische Küstengebirge.

„Deshalb ist Regen hier extrem selten. Manche Wetterstationen haben noch nie auch nur einen einzigen Tropfen gemessen.“

Aber warum gibt es gerade hier so viel Lithium? Conway erklärt dieses geologische Rätsel anschaulich:

„Man kann sich den Salar als eine Art Schmelzkessel vorstellen, mit den Vulkanen der Anden auf der einen Seite und einer kleineren Bergkette auf der anderen. Von den Anden kommt Wasser in Form mehrerer Flüsse, die durch tiefe Schluchten – quebradas – in das Becken fließen. Unterwegs nimmt das Wasser aus der chilenischen Erde winzige Mengen der ungewöhnlichen Mineralien auf, aber wenn es am Boden des Tales ankommt, findet es keinen Ausweg. In der Senke gefangen, sickert das Wasser in den kiesigen Untergrund und verdunstet dort zum größten Teil – schließlich ist dies eine der trockensten Regionen der Erde.“

Das Resultat dieses jahrtausendelangen Prozesses ist unsichtbar, aber gewaltig:

„Die Oberfläche des Salars ist zweifellos ein umwerfender Anblick, aber noch verrückter ist, was unter ihr liegt. Das Salz ist an manchen Stellen 5 Kilometer dick. Anderswo bildet es nur eine dünne Haut, und darunter liegen riesige Mengen uralter Salzlake, die seit mindestens drei Millionen Jahren unter der Oberfläche verschwunden ist und den Untergrund durchweicht wie einen Schwamm.“

Die Gewinnung des Lithiums aus dieser Sole mutet fast schon archaisch an, verglichen mit der High-Tech-Produktion von Silizium-Wafern. Die urtümliche Lake wird einfach unter der Salzkruste abgepumpt und in riesige, flache Verdunstungsbecken geleitet. Dann überlässt man die Arbeit der unerbittlichen Wüstensonne. Es ist ein extrem langsamer Prozess. Über viele Monate hinweg verdunstet das Wasser, und nach und nach fallen verschiedene Salze aus – zuerst Natriumchlorid, dann Kaliumsalze, schließlich Magnesiumsalze.

Am Ende dieses über einjährigen Prozesses hat sich die ehemals blassblaue Flüssigkeit in eine konzentrierte, gelbgrüne Lösung verwandelt, die fast so grell leuchtet wie eine Neonreklame. In diesem Stadium enthält sie dann etwa 25 Prozent Lithiumchlorid – der Rohstoff, der unsere moderne, mobile Welt am Laufen hält.

Der Salar de Atacama ist dabei keineswegs der einzige Salar der Welt – und er ist noch nicht einmal der größte. Ähnliche Salzsenken finden sich an weiteren Orten in Chile, aber auch in den Nachbarländern Bolivien und Argentinien. Zusammen bilden sie das sogenannte Lithium-Dreieck, eine der rohstoffreichsten Regionen unseres Planeten.

Der wohl bekannteste dieser Salare ist der Salar de Uyuni in Bolivien. Mit einer Fläche von rund 10.500 Quadratkilometern ist er mehr als dreimal so groß wie der Salar de Atacama, der sich auf etwa 3.000 Quadratkilometer erstreckt. Und auch in absoluten Mengen schlummert im Uyuni deutlich mehr Lithium. Bolivien hat zwar den politischen Willen signalisiert, diesen Schatz zu heben und sogar eine eigene heimische Batterieindustrie aufzubauen. Zum Zeitpunkt der Entstehung des Buches waren die tatsächlichen Fortschritte jedoch überschaubar. Ein wesentlicher Grund dafür liegt in der Chemie der Sole selbst: Obwohl der Uyuni insgesamt mehr Lithium enthält, ist seine Konzentration pro Liter Lake weniger als halb so hoch wie die der Atacama-Sole. Das macht die Verarbeitung deutlich aufwendiger und weniger wirtschaftlich.

Doch die Sole-Gewinnung, wie sie in Chile praktiziert wird, ist ohnehin nicht mehr das Maß aller Dinge. Der am schnellsten wachsende Zweig der globalen Lithiumindustrie ist heute der Abbau aus hartem Gestein. Der Grund ist pragmatisch: Fels sprengen und abtragen geht schlicht schneller, als monatelang auf die Verdunstung von Millionen Litern Salzlake zu warten. Australien hat diesen Weg konsequent beschritten und Chile inzwischen als weltgrößten Lithiumproduzenten abgelöst.

Dieser Fortschritt hat jedoch einen ernsthaften Haken. Der Abbau aus Hartgestein ist erheblich energieintensiver als die Sole-Verdunstung und erzeugt deutlich mehr Treibhausgasemissionen. Es ist eine der zentralen Ironien der Energiewende: Der Rohstoff, der unsere grüne Zukunft ermöglichen soll, wird an manchen Orten auf alles andere als grüne Weise gewonnen.