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Entdeckung
Hafnium wurde 1923 als eines der letzten stabilen Elemente des Periodensystems entdeckt. Bereits 1914 hatte der britische Physiker Henry Moseley anhand seines Gesetzes der Röntgenspektren vorausgesagt, dass zwischen Lutetium und Tantal ein bisher unbekanntes Element mit der Ordnungszahl 72 existieren müsse. Zunächst wurde ein weiteres Lanthanoid wie Lutetium vermutet. Lanthanoide sind eine Gruppe von 15 chemisch sehr ähnlichen Elementen im Periodensystem, die auf das namensgebende Lanthan folgen. Zusammen mit Scandium und Yttrium werden sie als Seltene Erden bezeichnet.
George de Hevesy, KI-Darstellung
Dirk Coster, KI-Darstellung
Trotz umfangreicher Untersuchungen konnte das vermutete Element 72 jedoch nicht in den entsprechenden Mineralien gefunden werden. 1922 prognostizierte der dänische Physiker Niels Bohr, dass es eher Zirkonium ähneln müsse. Dies konnten der niederländische Physiker Dirk Coster und der ungarische Chemiker George de Hevesy im Jahr darauf bestätigen: Mithilfe der Röntgenspektroskopie identifizierten sie Hafnium in einem Zirkon-Mineral. Benannt wurde das Element nach dem Ort seiner Entdeckung, Kopenhagen, lateinisch Hafnia.
Gewinnung
Die industrielle Gewinnung von Hafnium entwickelte sich im Schatten der Zirkoniumproduktion. Das Metall entsteht ausschließlich als Nebenprodukt bei der Verarbeitung von Zirkon – einem Mineral, das sowohl Zirkonium als auch Hafnium enthält. Hafnium wurde ab den 1940er-Jahren technisch erschlossen, industriell relevante Mengen waren ab den 1950ern verfügbar. Ein wichtiger Treiber war dabei die Kernenergie: Für den Einsatz von Zirkonium in Reaktoren musste Hafnium nahezu vollständig entfernt werden, da es die gewünschten Materialeigenschaften beeinträchtigte.
Die wichtigsten Standorte für die Trennung und Weiterverarbeitung lagen und liegen in wenigen Staaten, darunter Frankreich, die USA und China. Die Rohstoffbasis stammt aus Zirkonsanden, die vor allem in Australien, Südafrika, Indonesien und weiteren Ländern mit Vorkommen schwerer Mineralsande gewonnen werden.
Historische Anwendungsgebiete
Bragg-Ionisationsspektrometer. Mit einem baugleichen Gerät vermass Henry Moseley 1913/14 die charakteristische Röntgenstrahlung von über 30 Elementen – und legte damit die physikalische Grundlage für das Konzept der Ordnungszahl.
Bild: CCBY4.0 Wellcome Collection
Da Hafnium erst 1923 entdeckt wurde und in den ersten Jahrzehnten danach nur schwer in reiner Form zugänglich war, entwickelten sich industrielle Anwendungen vergleichsweise spät. Erst mit dem Ausbau der Kerntechnik in den 1940er- und 1950er-Jahren gewann Hafnium an Bedeutung. Einerseits musste es aufwändig von Zirkonium getrennt werden, das für Hüllen von Brennelementen verwendet wurde – im Gegensatz zu diesem absorbiert Hafnium Neutronen besonders gut, statt sie durchzulassen. Andererseits nutzte man genau diese Eigenschaft, um es als Material in Steuerstäben einzusetzen, zur Kontrolle der Kettenreaktion in Reaktoren. Dies ist bis heute ein zentrales Anwendungsfeld von Hafnium.
In den darauffolgenden Jahrzehnten entstanden weitere Einsatzbereiche, insbesondere hochtemperaturbeständige Legierungen wie die sogenannten Superlegierungen für Turbinen. Hinzu kommen spezielle metallurgische und elektrische Anwendungen. Seit den 2000er-Jahren spielt Hafnium zudem eine wichtige Rolle in der Mikroelektronik, insbesondere in Form von Hafniumoxid als sogenanntes High-k-Dielektrikum in modernen Halbleiterbauelementen.
Die industrielle Nutzung bleibt also bis heute auf wenige spezialisierte Nischenanwendungen konzentriert.