Die Anwendung der Geowissenschaft auf Australiens wichtigste Herausforderungen

Einführung

Ausgewählte Kupferfittings. Quelle: Wikimedia Commons

Jedes Mal, wenn Sie ein Licht einschalten, ein Gerät in Ihrem Haus benutzen oder einen Wasserhahn aufdrehen, ist es Kupfer, das Sie mit Strom oder Wasser versorgt. Kupfer ist also ein sehr wichtiges Metall für den Menschen und vereint mehr nützliche Eigenschaften als wahrscheinlich jedes andere Metall.

Ein durchschnittliches Einfamilienhaus enthält mehr als 90 Kilogramm Kupfer: 40 kg Elektrokabel, 30 kg Klempnerarbeiten, 15 kg Baubeschläge, 9 kg Elektrogeräte und 5 kg Messingwaren. Ein Düsenflugzeug vom Typ Boeing 747-200 enthält etwa 1,8 Tonnen Kupfer. Die Freiheitsstatue in New York enthält mehr als 27 Tonnen Kupfer.

Eigenschaften

Chalkopyrit. Quelle: Geoscience Australia

Kupfer ist neben Gold das einzige natürlich vorkommende Metall, das eine charakteristische Farbe hat. Wie Gold und Silber ist Kupfer ein ausgezeichneter Wärme- und Stromleiter. Es ist außerdem sehr verformbar und dehnbar. Kupfer ist außerdem korrosionsbeständig (es rostet nicht so leicht). Kupfer ist weich, aber zäh. Es lässt sich leicht mit anderen Metallen mischen, um Legierungen wie Bronze und Messing zu bilden. Bronze ist eine Legierung aus Zinn und Kupfer, Messing ist eine Legierung aus Zink und Kupfer. Kupfer und Messing lassen sich leicht recyceln¿vielleicht 70 % des heute verwendeten Kupfers wurde mindestens einmal recycelt.

Verwendungen

Heute Kupfer, weil es ein so guter Stromleiter ist, in elektrischen Generatoren und Motoren für elektrische Leitungen und in elektronischen Geräten wie Radios und Fernsehern verwendet. Da Kupfer auch Wärme gut leitet, wird es in Heizkörpern von Kraftfahrzeugen, Klimaanlagen und Hausheizungen verwendet.

Da Kupfer nicht leicht korrodiert, wird es auch für Wasserleitungen verwendet. Aufgrund seiner Formbarkeit lassen sich Kupferrohre leicht um Ecken biegen, ohne zu brechen.

Kupfersulfat wird als Fungizid verwendet, um zu verhindern, dass Pflanzenwurzeln Abflüsse und Abwassersysteme verstopfen. Die blaugrüne Farbe von behandeltem Holz ist das Ergebnis von Kupfernaphthanat und Kupfer-Chrom-Arsenat, die unter Druck eingebracht wurden, um das Holz vor Bohrmäusen zu schützen.

Kupfer wird auch für die Herstellung von Münzen und wissenschaftlichen Instrumenten sowie für dekorative Anwendungen verwendet.

Ein Mobiltelefon enthält etwa 15 Gramm Kupfer, und in letzter Zeit hat Kupfer Aluminium in Computerchips ersetzt.

Kupferdrahtspule. Quelle: Geoscience Australia

Computerplatinen mit Kupfer. Quelle: Geoscience Australia

Geschichte

Alte Kupferutensilien in einem Jerusalemer Restaurant. Quelle: Wikimedia Commons

Kupfer war das erste vom Menschen verwendete Metall. Es wurde von den Menschen der Jungsteinzeit vor etwa 9000 Jahren entdeckt und anstelle von Stein verwendet, da es viel leichter zu formen war. Die frühen Kupferschmiede im Iran fanden heraus, dass Kupfer durch Erhitzen weicher und durch Hämmern härter wurde. Auf diese Weise konnten sie Kupfer zu verschiedenen nützlichen Gegenständen wie Behältern und Utensilien formen – ein großer Fortschritt für die Menschheit. Die schöne Farbe des Kupfers machte es auch für die Herstellung von Schmuck und Ornamenten attraktiv.

Es gibt Beweise dafür, dass Kupfer schon in frühen Zeiten verwendet wurde: ein Stück Kupferrohr, das vor 5000 Jahren verwendet wurde, wurde von Archäologen in der Cheops-Pyramide in Ägypten ausgegraben. Um 4000 v. Chr. wurde Bronze (eine noch härtere Legierung) durch Mischen von Kupfer mit einer kleinen Menge Zinn entdeckt. Sie wurde zur Herstellung von Waffen, Rüstungen, Werkzeugen und Ziergegenständen verwendet¿damit begann die Kupfer-Bronze-Zeit. Obwohl die Herstellung von Bronzewerkzeugen mit dem Beginn der Eisenzeit um 1000 v. Chr. weitgehend zum Erliegen kam, wurde Kupfer aufgrund seiner anderen Eigenschaften weiterhin verwendet. Als eines von nur zwei farbigen Metallen ist es wegen seiner Schönheit für die Herstellung von Ornamenten sehr begehrt, und seine Korrosionsbeständigkeit macht es für die Verwendung im oder in der Nähe des Meeres geeignet.

Die Fähigkeit, Kupfer zu Blechen zu schlagen, und seine Rostbeständigkeit machten es zu einem beliebten Dachmaterial für wichtige Gebäude.

Minneapolis City Hall mit Kupferdach. Quelle: Wikimedia Commons

Das Wachstum der Kupferindustrie ist eng mit der zunehmenden Nutzung der Elektrizität verbunden. Elektrische Anwendungen sind nach wie vor die Hauptverwendung des Metalls, was auf zwei physikalische Eigenschaften zurückgeführt werden kann. Es ist ein hervorragender elektrischer (und Wärme-) Leiter und so dehnbar, dass es zu Draht gezogen und zu Blechen gepresst werden kann, ohne zu brechen. Kupfer wird in großem Umfang für Sanitärkomponenten verwendet und ist ein Hauptbestandteil von Legierungen, von denen viele härter, stärker und zäher sind als ihre einzelnen Bestandteile. 1837 patentierten Charles Wheatstone und William Cooke den ersten elektrischen Telegrafen, der Kupferdraht verwendete. 1876 verwendete Alexander Graham Bell als erster Kupferdraht für das Telefon. Im Jahr 1878 erfand Thomas Edison das erste elektrische Licht, wobei er Kupfer für die Stromübertragung verwendete. Innerhalb weniger Jahre führte die massenhafte Nutzung dieser beiden Erfindungen zu einem unglaublichen Anstieg des Abbaus und der Produktion von Kupfer.

Bildung

Malachit und Azurit. R29797 Quelle: Geoscience Australia

Da Kupfer leicht mit anderen Stoffen reagiert, kann es in der Erdkruste auf vielfältige Weise gebildet werden. Häufig findet man es in Lagerstätten zusammen mit anderen Metallen wie Blei, Zink, Gold und Silber.

Die weitaus größten Kupfermengen finden sich in der Erdkruste in so genannten porphyrischen Kupferlagerstätten. Diese Lagerstätten waren einst große Massen geschmolzenen Gesteins, die abkühlten und in der Erdkruste erstarrten. Bei der Abkühlung wuchsen einige große Kristalle, die dann bei schnellerer Abkühlung von kleineren Kristallen umgeben wurden – Geologen nennen diese Gesteine Porphyr. Zunächst war das Kupfer in geringen Konzentrationen über die große Masse des geschmolzenen Gesteins verteilt. Als das Magma abkühlte und sich Kristalle zu bilden begannen, wurde die Menge der Schmelze kleiner. Das Kupfer blieb in der Schmelze und konzentrierte sich immer mehr. Als das Gestein fast vollständig erstarrt war, zog es sich zusammen und bekam Risse, und die verbleibende kupferreiche Flüssigkeit wurde in die Risse gepresst, wo sie schließlich ebenfalls erstarrte. Im Laufe vieler Millionen Jahre erodierte das Gestein, das diese Lagerstätten bedeckte, und die Lagerstätten kamen schließlich an die Oberfläche. Beispiele für Porphyrvorkommen sind Cadia Hill (NSW) und Cerro Colorado (Panama).

Ein Gemisch aus Kupfer, Eisen und Schwefel wird Chalkopyrit (CuFeS2) oder „Narrengold“ genannt und hat schon so manchen Schürfer aus alten Zeiten getäuscht! Chalkopyrit wird in Australien in Gesteinen gefunden, die mehr als 250 Millionen Jahre alt sind. Bornit (Cu5FeS4), Covellit (CuS) und Chalkosin (Cu2S) sind weltweit wichtige Kupferquellen, und viele Erzkörper enthalten auch etwas Malachit (CuCO3.Cu(OH)2), Azurit (Cu3(CO3)2.Cu(OH)2), Cuprit (Cu2O), Tenorit (CuO) und natives Kupfer. Die Sulfide, aus denen der größte Teil des weltweit produzierten Kupfers gewonnen wird, befinden sich in der Regel in den tieferen Teilen der Erzgänge, die noch nicht der Verwitterung ausgesetzt waren. In Oberflächennähe werden sie durch Oxidation und andere chemische Vorgänge in Oxide und Karbonate umgewandelt. Diese sekundären Kupferminerale können in den oberen Teilen vieler Lagerstätten reichhaltige Erze bilden, und aufgrund ihrer charakteristischen grünen oder blauen Farbe sind selbst kleine Mengen in den Gesteinen, in denen sie vorkommen, leicht zu erkennen. Kupferhaltige Minerale werden häufig in Verbindung mit gold-, blei-, zink- und silberhaltigen Mineralien gefunden.

Ressourcen

In Australien begann die Suche nach Kupfer bald nach der Besiedlung durch die Europäer. Der erste größere Kupferfund in Australien wurde 1842 in Kapunda in Südaustralien gemacht, als Francis Dutton auf der Suche nach verlorenen Schafen auf Kupfererz stieß. In den 1860er Jahren war Südaustralien als „Kupferkönigreich“ bekannt, da es über einige der größten Kupferminen der Welt verfügte.

Australien verfügt über einen beträchtlichen Teil des weltweiten Kupfervorkommens und lag 2016 laut dem United States Geological Survey (USGS) auf Platz 2 hinter Chile. Wir verfügen über mehrere Kupferminen von weltweiter Bedeutung, darunter die Kupfer-Blei-Zink-Lagerstätte Mt Isa in Queensland und die Kupfer-Uran-Gold-Lagerstätte Olympic Dam in Südaustralien, wo eine der größten kupferhaltigen Lagerstätten der Welt abgebaut wird. Weitere Beispiele für bedeutende Kupferressourcen sind die Kupfer-Gold-Lagerstätten Prominent Hill und Carrapateena in Südaustralien, die Kupfer-Gold-Lagerstätte Northparkes, die Kupfer-Blei-Zink-Lagerstätte CSA und die Kupferlagerstätte Girilambone in New South Wales, die Kupferlagerstätten Ernest Henry, Osborne und Mammoth sowie die Kupfer-Gold-Lagerstätte Selwyn in Queensland und die Kupfer-Zink-Lagerstätten Golden Grove und die Kupferlagerstätte Nifty in Westaustralien.

Australiens wichtigste Kupferlagerstätten und -minen (2016). Quelle: Geoscience Australia

Weitere Informationen zu Ressourcen und Produktion.

Bergbau

Obwohl große Kupfervorkommen in vielen der wichtigsten Förderländer im Tagebau abgebaut werden, stammt der Großteil des in Australien produzierten Kupfererzes aus Untertageminen. Bei der traditionellen Methode, die in den meisten Minen angewandt wird, wird das Erz gebrochen und zum Zerkleinern an die Oberfläche gebracht. Das Erz wird dann fein gemahlen, bevor die kupferhaltigen Sulfidminerale durch ein Flotationsverfahren konzentriert werden, bei dem die Erzkörner vom Abfallmaterial, dem Ganggestein, getrennt werden. Je nach Art der kupferhaltigen Mineralien im Erz und den angewandten Aufbereitungsverfahren enthält das Konzentrat in der Regel zwischen 25 und 30 % Kupfer, kann aber auch bis zu 60 % Kupfer enthalten. Das Konzentrat wird dann in einer Schmelzhütte verarbeitet.

Verarbeitung

In einigen australischen Minen wird das Kupfer aus dem Erz ausgelaugt, um eine kupferreiche Lösung zu erzeugen, die später behandelt wird, um das Kupfermetall zu gewinnen. Das Erz wird zunächst gebrochen und auf Auslaugungsflächen ausgebreitet, wo es durch eine schwefelsaure Lösung aufgelöst wird, um das Kupfer auszulaugen. Die kupferreiche Lösung wird dann in die Lösungsmittelextraktionsanlage gepumpt, um das Kupfer als Kupferkomplex abzutrennen. Dieser wird konzentriert und die Lösung wird in die elektrolytische Gewinnungsanlage geleitet, um das Kupfer zu gewinnen. Die durch die elektrolytische Gewinnung hergestellten Kupferkathoden enthalten 99,99 % Kupfer, das für elektrische Anwendungen geeignet ist. Dieser gesamte Prozess wird als Solventextraktionselektrolyse (SX-EW) bezeichnet.

Um die Konzentrate in Kupfermetall umzuwandeln, werden verschiedene Verhüttungsmethoden angewendet. Eine Methode besteht darin, sie mit Flussmitteln in einem Schmelzofen zu schmelzen, um Kupfermatte zu erzeugen, ein Gemisch, das hauptsächlich aus Eisen und Kupfersulfiden besteht und in der Regel 50 bis 70 % Kupfer enthält. Die geschmolzene Matte wird in einen Konverter gegossen, der weitere Flussmittel enthält und in Blisterkupfer umgewandelt wird, das etwa 98 bis 99 % rein ist. Das Blisterkupfer wird abgestochen, in einem Anodenofen weiter raffiniert und schließlich elektrolytisch zu reinem Kathodenkupfer raffiniert.

Am Olympic Dam wird das Konzentrat direkt zu Blisterkupfer eingeschmolzen. Bei diesem Verfahren wird das Kupferkonzentrat mit sauerstoffangereicherter Luft in den Schmelzofen geleitet. Das feine Konzentrat reagiert oder „flasht“ sofort, wenn der Schwefelanteil der Kupfersulfide verbrennt und zu Schwefeldioxidgas wird. Geschmolzenes Kupfer und Schlacke fallen auf den Herd des Schmelzofens. Die Schlacke bildet eine Schicht auf der Oberfläche des geschmolzenen Blisterkupfers. Das Blisterkupfer wird in regelmäßigen Abständen zur weiteren Reinigung in einem Anodenofen entnommen und elektrolytisch raffiniert.