Inhalt
- Ein strategischer und kritischer Metal
- Verwendung von Beryllium
- Physikalische Eigenschaften von Beryllium
- Woher kommt Beryllium?
- Bertranditische Quellen
- Beryl Quellen
- Angebot und Nachfrage von Beryllium
- Beryllium-Recycling
- Beryllium-Rohstoffe der Vereinigten Staaten
- Sicherstellung der zukünftigen Versorgung mit Beryllium
Beryllium-Teleskopspiegel: Blick auf die Rückseite eines der 18 Beryllium-Spiegelsegmente für das James Webb Space Telescope. Die Rippen an der Rückseite des Spiegels tragen dazu bei, die Stärke des Spiegels zu erhalten und seine Form auch unter extremen Bedingungen beizubehalten. Die Vorderseite des Spiegels ist völlig glatt und mit einem dünnen Goldfilm überzogen. Foto mit freundlicher Genehmigung der National Aeronautics and Space Administration. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA.
Ein strategischer und kritischer Metal
Beryllium ist eines der leichtesten und steifsten Metalle, wurde jedoch in der Industrie nur wenig nachgefragt, bis in den 1930er und 1940er Jahren Beryllium und seine Verbindungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Nukleartechnik eingesetzt wurden. Beryllium wird jetzt vom US-Verteidigungsministerium als strategisches und kritisches Material eingestuft, da es in Produkten verwendet wird, die für die nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind.
Die Oxidform von Beryllium wurde 1797 identifiziert, und die Wissenschaftler isolierten erstmals 1828 metallisches Beryllium. Beryllium und einige Berylliumverbindungen sind giftig und müssen vorsichtig behandelt werden. Arbeitsplatzbedingte Exposition gegenüber Stäuben oder Dämpfen von Beryllium und Berylliumverbindungen verursacht bekanntermaßen schwerwiegende Gesundheitsprobleme wie Krebs oder chronische Berylliumkrankheiten, bei denen es sich um eine Reaktion des Immunsystems handelt, die die Lunge schädigen kann. Ordnungsgemäße Praktiken am Arbeitsplatz verhindern diese Exposition.
Verwendung von Beryllium
Beryllium-Kupfer-Legierungen machen etwa 80 Prozent des in den USA verwendeten Berylliums aus. Diese Legierungen sind fest, hart und nicht magnetisch. Sie leiten Strom und Wärme gut und widerstehen Korrosion und Ermüdung. Berylliumlegierungen werden zur Herstellung von Steckverbindern, Federn, Schaltern und anderen Bauteilen elektronischer und elektrischer Geräte für Luft- und Raumfahrt, Automobil, Computer, Verteidigung, Medizin, Telekommunikation und andere Produkte verwendet.
Beryllium in der Luftfahrt: Die US-Luftwaffe F-35 Lightning II Joint Strike Fighter und viele andere Luft- und Raumfahrtfahrzeuge setzen auf elektrische und mechanische Komponenten aus Berylliumlegierungen. Foto mit freundlicher Genehmigung der US Air Force.
Physikalische Eigenschaften von Beryllium
Berylliummetall ist sehr leicht und sehr steif. Beryllium ist im Verhältnis zum Gewicht sechsmal steifer als Stahl und behält seine Form bei hohen und niedrigen Temperaturen bei. Berylliummetall wird in der Luftfahrt- und Verteidigungsindustrie zur Herstellung leichter Präzisionsinstrumente verwendet.
Die Spiegel des Spitzer-Weltraumteleskops und des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST), deren Einführung für 2021 geplant ist, bestehen aus Beryllium. Der Primärspiegel des JWST enthält 18 sechseckige Segmente (jedes Segment hat einen Durchmesser von 4,3 Fuß), die auch bei Temperaturen von -400 Grad Fahrenheit ihre exakte Form behalten müssen und leicht genug sein müssen, um in die Umlaufbahn befördert zu werden. Das Teleskop wird ungefähr 1 Million Meilen über der Erde betrieben.
Beryllium ist für Röntgenstrahlen nahezu transparent, und Berylliumfolie wird als Fenstermaterial für Röntgen- und andere Bestrahlungsgeräte verwendet. In Kernreaktoren werden Berylliummetall und Berylliumoxid zur Steuerung von Spaltreaktionen eingesetzt. Beryllium wurde auch in den Auslösemechanismen für Atomwaffen verwendet.
Bertranditknoten: Ein Großteil des Bertrandits in Spor Mountain, Utah, ist in Knötchen aus Fluorit, Opal und Bertrandit enthalten. Das Beryllium ist in der äußeren opalisierten Fluoritzone konzentriert. Solche Knötchen können bis zu 1 Gew .-% Beryllium enthalten. Foto von David A. Lindsey, United States Geological Survey.
Woher kommt Beryllium?
Zwei Mineralien, Bertrandit und Beryll, werden für Beryllium abgebaut, und beide werden in Verbindung mit magmatischen Gesteinen gefunden. Das gesamte Beryllium, das derzeit in den USA abgebaut wird, stammt aus dem Mineral Bertrandit.
Bertranditische Quellen
Eine komplexe Reihe von Ereignissen muss stattfinden, um Beryllium in Bertrandit zu konzentrieren. Erstens muss ein Magma, das reich an Fluor, Beryllium und Kieselsäure ist, in einem Bereich ausbrechen, in dem sich Karbonatgesteine (Kalkstein oder Dolomit) befinden. Wenn die Wärme des Magmas das Grundwasser in der Gegend erwärmt und bewirkt, dass sich das Wasser durch die umliegenden Felsen bewegt, nimmt das Wasser Elemente, einschließlich Beryllium, von diesen Felsen auf. Das Wasser kann dann mit geeigneten magmatischen Gesteinen oder Sedimentgesteinen reagieren, um Mineralien, einschließlich Bertrandit, zu kristallisieren.
Beryll Edelsteine: Vier Sorten von Beryll in Edelsteinqualität: von hinten links im Uhrzeigersinn: Morganit (rosa-orange), Heliodor (gelb), grüner Beryll (hellgrün), Aquamarin (blau-grün). Eine sehr kleine Menge des heutigen Berylliumangebots stammt von Nicht-Edelstein-Beryll, das bei der Suche nach Edelsteinmaterialien gewonnen wurde.
Beryl Quellen
Das Mineral Beryll ist die Hauptquelle für Beryllium, das außerhalb der USA abgebaut wird. Beryll ist am häufigsten in Venen oder Pegmatiten zu finden, bei denen es sich um Gesteine handelt, die die letzten Mineralien enthalten, die aus einem großen magmatischen Einbruch kristallisieren. Pegmatite zeichnen sich durch große ineinandergreifende Kristalle aus, die häufig ungewöhnliche Elemente und Mineralien enthalten.
Reine Beryllkristalle sind farblos, aber durch die Einbeziehung anderer Elemente in Beryll entstehen farbenfrohe, wertvolle Edelsteine. Die grüne Farbe im Smaragd ist auf Spuren von Chrom und manchmal Vanadium im Berylkristallgitter zurückzuführen. Die hellblaue bis blaugrüne Farbe von Aquamarin wird durch Eisenatome mit einer Oxidationsstufe von +2 (Fe2+); andere Elemente in Beryllkristallen erzeugen Farben, die von Gold bis Rot reichen. Amerikas größter facettierter Smaragd, ein 64-Karat-Edelstein, wurde aus einem 310-Karat-dunkelgrünen Kristall geschnitten, der 2009 in der Adams Emerald Mine in North Carolina gefunden wurde.
Bertrandit-Metall: Eine marmorgroße Perle aus Beryllium. Foto von der NASA.
Angebot und Nachfrage von Beryllium
Die Vereinigten Staaten sind die weltweit führende Quelle für Beryllium. Eine einzige Mine in Spor Mountain, Utah, produzierte 2010 mehr als 85 Prozent des weltweit abgebauten Berylliums. China produzierte den größten Teil des restlichen Berylliums, und weniger als 2 Prozent stammten aus Mosambik und anderen Ländern. Nationale Lagerbestände liefern auch erhebliche Mengen an Beryllium für die Verarbeitung.
Drei Länder - China, Kasachstan und die Vereinigten Staaten - verarbeiten Berylliumerz. Im Jahr 2005 begann das US-Verteidigungsministerium eine Partnerschaft mit einem privaten Unternehmen, um in Ohio eine neue Verarbeitungsanlage zur Herstellung von hochreinem Berylliummetall zu errichten. Die Aufbereitungsanlage wurde 2011 fertiggestellt und bis zu zwei Drittel der Produktion sollten für Verteidigungszwecke und andere staatliche Zwecke verwendet werden.
Die Vereinigten Staaten importierten ungefähr 34 Prozent der 2011 verwendeten Beryllium-Rohstoffe, einschließlich Beryllium-Metall und anderer verarbeiteter Beryllium-Materialien, die bei der Herstellung verwendet wurden. Zwei Drittel dieses Materials stammten aus Russland und Kasachstan.
Beryllium-Recycling
Beryllium, das aus Abfällen recycelt wird, die bei der Herstellung berylliumhaltiger Produkte anfallen, kann etwa 10 Prozent des scheinbaren US-Verbrauchs ausmachen. Der sichtbare Verbrauch ist ein Maß für die Menge eines Materials, die tatsächlich verbraucht wird, berechnet als Produktion + Importe - Exporte ± Veränderungen der staatlichen oder industriellen Lagerbestände.
Beryllium-Rohstoffe der Vereinigten Staaten
Die Vereinigten Staaten werden wahrscheinlich in der Lage sein, den größten Teil ihres Berylliumbedarfs aus inländischen Quellen zu decken. In Spor Mountain, Utah, gibt es nachgewiesene Bertranditvorkommen. In anderen Gebieten von Utah und Alaska gibt es Berylliumvorkommen. Ungefähr 65 Prozent der geschätzten globalen Ressourcen an nicht-pegmatitischem Beryllium befinden sich in den Vereinigten Staaten. Das US-Verteidigungsministerium beabsichtigt, etwa 45 Tonnen heißgepresstes Berylliummetallpulver im National Defense Stockpile zu halten.
Sicherstellung der zukünftigen Versorgung mit Beryllium
Um vorhersagen zu können, wo sich künftige Berylliumvorräte befinden könnten, untersuchen USGS-Wissenschaftler, wie und wo Berylliumressourcen in der Erdkruste konzentriert sind, und verwenden dieses Wissen, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass unentdeckte Berylliumressourcen vorhanden sein könnten. Die USGS hat Techniken zur Bewertung von Mineralressourcen entwickelt, um die Verwaltung von Bundesländern zu unterstützen und die Verfügbarkeit von Mineralressourcen in einem globalen Kontext besser zu bewerten. Das USGS erstellt auch Statistiken und Informationen über das weltweite Angebot, die Nachfrage nach und den Fluss von Beryllium. Diese Daten werden verwendet, um die nationale Politik der USA zu informieren.