Erfahren Sie hier alles über das
Element Gallium

In einem Hexagon ist das Gallium Elemente Symbol Ga zu sehen.

Erfahren Sie hier alles über das Element Gallium

Ein Gallium-Kristall vor weißem Grund.
Eine goldene Klammer wie sie in Formeln verwendet wird.

Name: Gallium
Symbol: Ga
Ordnungszahl: 31
Massenanteil an der Erdhülle: 1 x 10-3 %
Dichte: 5,904 g/cm³
Mohshärte: 1,5
Schmelzpunkt: 29,76 °C
Siedepunkt: 2.400 °C
Elektr. Leitfähigkeit: 6,78 · 106 A·V-1·m-1

Gallium zählt zur Bor-Gruppe im Periodensystem.

Name: Gallium
Symbol: Ga
Ordnungszahl: 31
Massenanteil an der Erdhülle: 1 · 10-3 %
Dichte: 5,904 g/cm³
Mohshärte: 1,5
Schmelzpunkt: 29,76 °C
Siedepunkt: 2.400 °C
Elektr. Leitfähigkeit:
6,78 · 106 A·V-1·m-1

Gallium zählt zur Bor-Gruppe im Periodensystem.

Eigenschaften

Gallium ist ein seltenes, hellblau schimmerndes Metall mit seltsamen, widersprüchlichen Eigenschaften. So weist das Element etwa eine Dichteanomalie auf: Es hat in flüssigem Zustand eine höhere Dichte als in festem Zustand. Nur wenige Elemente bzw. Verbindungen weisen dieses Phänomen auf. Die bekannteste Dichteanomalie findet man bei Wasser, H2O. Wasser hat bei 4 °C seine höchste Dichte mit der Folge, dass Eis – also der feste Zustand – bei 0 °C obenauf schwimmt. Ein Glücksfall für Menschen, denn ohne die Dichteanomalie bei Wasser gäbe es kein Leben auf der Erde.

Der niedrige Schmelzpunkt
Der Rohstoff hat eine sehr niedrige Schmelz-Temperatur von knapp 30 °C, also Handwärme. In Legierungen, beispielsweise mit Indium, können sogar Schmelzpunkte unterhalb von 5 °C erreicht werden. Mit einer Siedetemperatur von 2.400 °C ist es jedoch über einen extrem hohen Temperaturbereich hinweg flüssig.

Gallium ist weich, bei plötzlicher mechanischer Bearbeitung splittern aber feste Stücke ab. Es bleibt auch unterhalb seines Schmelzpunktes weiter flüssig und verfestigt sich erst durch einen Kristallisationskeim. Da der Rohstoff Aluminium auflöst, muss er in Flugzeugen entsprechend gesichert transportiert werden.

  • Von der Industrie wird Gallium zu den Technologiemetallen gezählt, jenen Metallen die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind.
  • In anderen Kontexten wird Gallium ebenfalls als Strategisches Metall bezeichnet, was seine Relevanz für die Wirtschaft eines Landes unterstreicht.
  • Gallium ist außerdem ein kritischer Rohstoff, also strategisch bedeutsam aber nur endlich verfügbar.
  • Von der Industrie wird Gallium zu den Technologiemetallen gezählt, jenen Metallen die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind.
  • In anderen Kontexten wird Gallium ebenfalls als Strategisches Metall bezeichnet, was seine Relevanz für die Wirtschaft eines Landes unterstreicht.
  • Gallium ist außerdem ein kritischer Rohstoff, also strategisch bedeutsam aber nur endlich verfügbar.

GESCHICHTE DES GALLIUMS

Ein schwarzweiß Foto von Paul Émile Lecoq de Boisbaudran.

Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran

Im Jahre 1875 entdeckt der französische Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran Gallium. Boisbaudran war eigentlich seit 1858 im familiären Weinhandel tätig gewesen, hatte sich jedoch in seiner Freizeit der Suche neuer Elemente mittels spektroskopischer Analyse gewidmet. 1869 veröffentlichte Dmitry Ivanovich Mendeleyev das Periodensystem, auf dem er einige Stellen freigelassen, jedoch Vermutungen über die Eigenschaften der dort wahrscheinlich befindlichen Elemente angestellt hatte. Eines dieser Elemente war das sog. Eka-Aluminium.

Bei der Untersuchung von Zinksulfit erkennt Boisbaudran schließlich zunächst die Spektrallinien eines anderen Elementes, das, wie er nach der Isolierung feststellt, genau die Eigenschaften hat, die Mendeleyev für das Eka-Aluminium vorausgesagt hatte. Mit Boisbaudrans Entdeckung verfestigt sich damit die Überzeugung von der Korrektheit des Periodensystems.

Boisbaudran nennt seine Entdeckung Gallium, nach seinem Heimat Frankreich, Gallien im Lateinischen. Der Chemiker könnte hier aber auch seinen eigenen Nachnamen im Element verewigt haben. Lecoq bedeutet Hahn oder im Lateinischen Gallus. Weitere Elemente, die von Boisbaudran entdeckt wurden sind Samarium (1880), und Dysprosium (1886).

VORKOMMEN & GEWINNUNG

Gallium existiert nicht in elementarer, reiner Form, sondern kommt nur in Verbindung mit anderen Elementen vor. Aufgrund seines jeweils geringen Anteils ist ein gezielter Abbau von Gallium nicht rentabel. Gallium ist daher fast ausschließlich ein Beiprodukt anderer Produktionsprozesse.

Zu 90 % wird Gallium aus der mineralienhaltigen, roten Tonerde Bauxit, benannt nach seinem Fundort Les Baux-de-Provence, (Galliumanteil durchschnittlich 0,005% bzw. 50 ppm) als Teil der Aluminium-Herstellung gewonnen. Entsprechend sind Galliumminerale selbst sehr selten. Die weltweite Produktionskapazität des seltenen Metalls liegt aktuell bei circa 720 Tonnen im Jahr und gilt als ausgereizt.

Der Mensch nimmt Gallium in geringen Mengen durch die Nahrung auf. Spuren des Rohstoffs befinden sich etwa im Wasser, in Gemüse und Obst wie auch in Vitaminpräparaten.

Es gibt verschiedene Arten der Gewinnung von Gallium

Alle Arten der Gewinnung sind sehr aufwendig. Meist ist Ausgangspunkt ein in Natronlauge gelöstes Gemisch, aus dem durch mehrere Verfahrensschritte Aluminium- und Galliumverbindungen getrennt werden. Reines Gallium wird schließlich durch eine sehr energieaufwendige Elektrolyse gewonnen. Nicht zuletzt aus Gründen der geringen Energiekosten ist der wichtigste Lieferant für die Primärproduktion heutzutage China. Das verglichen damit sehr viel einfachere Recycling findet naturgemäß in fast allen Industrieländern statt.

Ein roter Bauxit Gesteinsbrocken, der auch Gallium enthält.

Bauxitfels in Les Baux-de-Provence / Bild: BlueBreezeWiki CC-BY-SA 3.0

ANWENDUNGSGEBIETE VON GALLIUM

ANWENDUNGS-GEBIETE VON GALLIUM

Gallium spielt als Halbleiter in der Optoelektronik (die Umwandlung von elektrischen Daten in Lichtströme) eine große Rolle. Wichtige Einsatzgebiete sind die LED und OLED Technologie sowie die Photovoltaik. Auch in Computerchips, wie in der Hochfrequenz-Technik, welche für die Satelliten- wie auch die Mobilfunk-Kommunikation relevant ist, wird Gallium verarbeitet

 In der Dentaltechnik ist es Legierungszusatz, in der Nuklearmedizin wird es in der Diagnostik verwendet. Gallium kann außerdem als ungiftiger Quecksilberersatz genutzt werden. Zwar ist der Rohstoff teurer, doch können mit Gallium-Thermometern Temperaturen bis 1.200 °C gemessen werden.

Computerchips

Mehr erfahren

In den 50er Jahren entwickelt Heinrich Welker, Leiter der Festkörperphysik im Forschungslaboratorium der Siemens-Schukert-Werke AG in Erlangen, Gallium-Arsenid. Seit den 1970ern kommt die Halbleiter-Verbindung in der Computerelektronik zum Einsatz. Hier dient Gallium-Arsenid zu Wafern (aus Halbleiter-Materialien hergestellte Basisplatten für elektronische Bauelemente) verarbeitet als Basis von Computerchips. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Bauelementen sind Gallium-Arsenid-Wafer in der Lage bis zu 200 °C Hitze auszuhalten, kommen also ohne aufwendige Kühlsysteme aus. Sie verbrauchen zudem weniger Strom. Die Elektronengeschwindigkeit ist um das fünffache schneller, die Rechenleistung damit höher.

Setzte man in den 1980ern große Hoffnungen auf die Zukunft der Gallium-Arsenid-Wafer, wartet die Industrie aktuell auf bezahlbare Produktionsoptionen. Gallium-Arsenid-Wafer sind fast tausendfach teurer in der Herstellung und durch das Arsen ebenfalls giftig. Daher arbeiten die im Handel erhältlichen Computer trotz der geringeren Leistung mit auf Silizium-Wafern-basierenden Computerchips.

Gallium wird häufig als Flüssigmetall-Wärmeleitpaste zur Kühlung von elektronischen Bauelementen eingesetzt. Da Gallium schon bei 30 °C schmilzt aber erst ab 2400 °C siedet, verdampft die Paste nicht und bleibt selbst bei hohen Temperaturen unverändert.

Photovoltaik

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Gallium wird in den für die Photovoltaik (die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie) wichtigen Dünnschicht-Solarzellen des Typs CIGS verarbeitet. Der Begriff ist ein englisches Akronym, welches sich aus den für die Technologie benötigten Rohstoffen zusammensetzt: Copper, Indium, Gallium, Sulfur, Selenium (dt.: Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel, Selen).

Gallium wird außerdem in Form von Gallium-Arsenid, also als Halbleiter-Verbindung aus Gallium und Arsen, als Ersatz für das gängigere Silizium eingesetzt. Gallium-Arsenid-haltige Dünnschicht-Solarzellen sind teuer in der Herstellung und aufwendig in der Entsorgung, so dass diese meist nur dort verbaut werden, wo die besonderen Eigenschaften dieser Zellen auch unbedingt gebraucht werden: im Weltraum. Weil sie hitzebeständiger als Silizium-Zellen sind, auch in schlechteren Lichtverhältnissen gute Leistung erbringen und mit der schädlichen UV-Strahlung im Weltraum umgehen können, findet man Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen daher in der Regel in Satelliten. Das erste Raumfahrzeug mit Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen, Venera 3, startete 1965 ins All. Als Teil einer Tandem-Solarzelle versorgte die Technologie die NASA Mars-Rover Spirit (2004-2010) und Opportunity (2004-2018) mit Strom und auch die Raumstation ISS nutzt Solarzellen mit Gallium-Arsenid.

In den letzten Jahren hat es Versuche gegeben, mittels Einsatz von Germanium bei der Herstellung, die Kosten der Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen zu senken, was diese noch attraktiver für andere Anwendungsgebiete machen dürfte.

LED, OLED

Mehr erfahren

Seit den 90er Jahren wird Gallium in Form von Gallium-Nitrid (GaN) in LED und OLED Technologie verarbeitet. Hier hat es mehrere Innovationen entscheidend beeinflusst: War lange nur rotes und orangenes LED-Licht effizient zu erzeugen, kann mit Hilfe von Gallium-Nitrid das gesamte sichtbare Farbspektrum zum Leuchten gebracht werden. Außerdem sorgt Gallium-Nitrid für eine verbesserte Lichtausbeute. (O)LED sind in einer großen Bandbreite moderner Produkte zu finden. Elektroautos, Zimmerbeleuchtungen, Displays (weiße LED) und Flachbildschirme verwenden Leuchtdioden, aber auch andere Produkte, wie etwa Ampelsysteme oder die bei Kindern beliebten leuchtenden Turnschuhe.

Die Relevanz von Gallium für diese Industrie wird einem Bericht der Deutschen Rohstoffagentur zu Gallium von 2018 deutlich. Hier heißt es: „Eine moderne blaue Leuchtdiode besteht aus einer Vielzahl verschiedener Materialien wie Gallium-Nitrid als Basismaterial, Indium-Gallium-Nitrid als leuchtende Schicht und Aluminium-Gallium-Nitrid zur Effizienzsteigerung (Marscheider-Weidemann et al. 2016).“

ANWENDUNGS-

GEBIETE VON GALLIUM

Gallium spielt als Halbleiter in der Optoelektronik (die Umwandlung von elektrischen Daten in Lichtströme) eine große Rolle. Wichtige Einsatzgebiete sind die LED und OLED Technologie sowie die Photovoltaik. Auch in Computerchips, wie in der Hochfrequenz-Technik, welche für die Satelliten- wie auch die Mobilfunk-Kommunikation relevant ist, wird Gallium verarbeitet

 In der Dentaltechnik ist es Legierungszusatz, in der Nuklearmedizin wird es in der Diagnostik verwendet. Gallium kann außerdem als ungiftiger Quecksilberersatz genutzt werden. Zwar ist der Rohstoff teurer, doch können mit Gallium-Thermometern Temperaturen bis 1.200 °C gemessen werden.

Computerchips

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In den 50er Jahren entwickelt Heinrich Welker, Leiter der Festkörperphysik im Forschungslaboratorium der Siemens-Schukert-Werke AG in Erlangen, Gallium-Arsenid. Seit den 1970ern kommt die Halbleiter-Verbindung in der Computerelektronik zum Einsatz. Hier dient Gallium-Arsenid zu Wafern (aus Halbleiter-Materialien hergestellte Basisplatten für elektronische Bauelemente) verarbeitet als Basis von Computerchips. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Bauelementen sind Gallium-Arsenid-Wafer in der Lage bis zu 200 °C Hitze auszuhalten, kommen also ohne aufwendige Kühlsysteme aus. Sie verbrauchen zudem weniger Strom. Die Elektronengeschwindigkeit ist um das fünffache schneller, die Rechenleistung damit höher.

Setzte man in den 1980ern große Hoffnungen auf die Zukunft der Gallium-Arsenid-Wafer, wartet die Industrie aktuell auf bezahlbare Produktionsoptionen. Gallium-Arsenid-Wafer sind fast tausendfach teurer in der Herstellung und durch das Arsen ebenfalls giftig. Daher arbeiten die im Handel erhältlichen Computer trotz der geringeren Leistung mit auf Silizium-Wafern-basierenden Computerchips.

Gallium wird häufig als Flüssigmetall-Wärmeleitpaste zur Kühlung von elektronischen Bauelementen eingesetzt. Da Gallium schon bei 30 °C schmilzt aber erst ab 2400 °C siedet, verdampft die Paste nicht und bleibt selbst bei hohen Temperaturen unverändert.

Photovoltaik

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Gallium wird in den für die Photovoltaik (die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie) wichtigen Dünnschicht-Solarzellen des Typs CIGS verarbeitet. Der Begriff ist ein englisches Akronym, welches sich aus den für die Technologie benötigten Rohstoffen zusammensetzt: Copper, Indium, Gallium, Sulfur, Selenium (dt.: Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel, Selen).

Gallium wird außerdem in Form von Gallium-Arsenid, also als Halbleiter-Verbindung aus Gallium und Arsen, als Ersatz für das gängigere Silizium eingesetzt. Gallium-Arsenid-haltige Dünnschicht-Solarzellen sind teuer in der Herstellung und aufwendig in der Entsorgung, so dass diese meist nur dort verbaut werden, wo die besonderen Eigenschaften dieser Zellen auch unbedingt gebraucht werden: im Weltraum. Weil sie hitzebeständiger als Silizium-Zellen sind, auch in schlechteren Lichtverhältnissen gute Leistung erbringen und mit der schädlichen UV-Strahlung im Weltraum umgehen können, findet man Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen daher in der Regel in Satelliten. Das erste Raumfahrzeug mit Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen, Venera 3, startete 1965 ins All. Als Teil einer Tandem-Solarzelle versorgte die Technologie die NASA Mars-Rover Spirit (2004-2010) und Opportunity (2004-2018) mit Strom und auch die Raumstation ISS nutzt Solarzellen mit Gallium-Arsenid.

In den letzten Jahren hat es Versuche gegeben, mittels Einsatz von Germanium bei der Herstellung, die Kosten der Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen zu senken, was diese noch attraktiver für andere Anwendungsgebiete machen dürfte.

LED, OLED

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Seit den 90er Jahren wird Gallium in Form von Gallium-Nitrid (GaN) in LED und OLED Technologie verarbeitet. Hier hat es mehrere Innovationen entscheidend beeinflusst: War lange nur rotes und orangenes LED-Licht effizient zu erzeugen, kann mit Hilfe von Gallium-Nitrid das gesamte sichtbare Farbspektrum zum Leuchten gebracht werden. Außerdem sorgt Gallium-Nitrid für eine verbesserte Lichtausbeute. (O)LED sind in einer großen Bandbreite moderner Produkte zu finden. Elektroautos, Zimmerbeleuchtungen, Displays (weiße LED) und Flachbildschirme verwenden Leuchtdioden, aber auch andere Produkte, wie etwa Ampelsysteme oder die bei Kindern beliebten leuchtenden Turnschuhe.

Die Relevanz von Gallium für diese Industrie wird einem Bericht der Deutschen Rohstoffagentur zu Gallium von 2018 deutlich. Hier heißt es: „Eine moderne blaue Leuchtdiode besteht aus einer Vielzahl verschiedener Materialien wie Gallium-Nitrid als Basismaterial, Indium-Gallium-Nitrid als leuchtende Schicht und Aluminium-Gallium-Nitrid zur Effizienzsteigerung (Marscheider-Weidemann et al. 2016).“