MIT MIKROWELLEN GRANIT BRECHEN
In einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt untersuchten
Forschungsgruppen aus Leoben, wie Abbaumethoden für hartes Gestein durch
Einstrahlung von Mikrowellen verbessert werden können, um klassische,
mechanische Verfahren zu erleichtern und Energie zu sparen.
Der Abbau von hartem Gestein wie Granit ist ein langwieriger,
energieintensiver Prozess, egal ob im Bergbau oder im Tunnelbau. Dabei
wird in mehreren Schritten vorgegangen: Zuerst müssen Risse im kompakten
Fels erzeugt werden, wobei einzelne Brocken entstehen, die dann
herausgelöst und abtransportiert werden können. In der Geschichte des
Bergbaus wurde Ersteres oft mit Feuer gemacht – die Hitze sprengt das
Gestein. Ein vom Wissenschaftsfonds FWF gefördertes, interdisziplinäres
Projekt der Lehrstühle für Mechanik, Physik und Bergbaukunde der
Montanuniversität Leoben hat nun eine moderne Variante dieser Strategie
untersucht: Zum Erhitzen des Gesteins wird Mikrowellenstrahlung
eingesetzt.
"Alle gängigen Abbaumethoden haben eines gemeinsam: Man möchte das
Gestein zuerst brechen, also Oberflächen erzeugen, aber nur ein geringer
Teil der Energie geht wirklich in diese Oberflächenschaffung. Der
Großteil geht in Form von Wärme verloren", sagt Projektleiter Thomas
Antretter vom Institut für Mechanik der Montanuniversität Leoben.
Derzeit wird das Gestein entweder gesprengt oder rein mechanisch mit
großen Maschinen aufgebrochen und abgetragen. "Das ist eine riesige
Verschwendung von Energie. Wir wollen den mechanischen Abbauprozess
nicht vollständig ersetzen, das ist nicht möglich. Aber wir können ihn
erleichtern", so Antretter.
25-MAL STÄRKER ALS EIN MIKROWELLENOFEN
Dass Mikrowellen zum Erhitzen genutzt werden können, ist aus dem Alltag
bekannt. Weniger offensichtlich ist, dass auch Gestein erwärmt werden
kann. "Man könnte tatsächlich einen Gesteinsbrocken in einen
Mikrowellenofen legen und er würde warm werden", erklärt Antretter. "Um
wirklich Risse zu erzeugen, braucht es aber höhere Energien." Für die
Praxistests wurde eine Anlage mit 25 Kilowatt Leistung verwendet, das
ist etwa das 25-Fache eines Mikrowellenherds. Die Mikrowellen werden mit
einem Applikator aufgebracht, der wie ein Schlauch aussieht –, ein
Hohlleiter, in dessen Innerem die Mikrowellen transportiert werden.
Antretters Gruppe war für die Simulationen zuständig. "Die Simulationen
waren relativ umfangreich, weil wir einerseits die elektromagnetischen
Vorgänge berechnen mussten, die Einstrahlung und die Ausbreitung der
elektromagnetischen Welle, und dann daraus schließen mussten, wie sich
das Gestein erwärmt." Antretter interessierte sich besonders für Granit,
der aufgrund seiner Härte besonders schwierig abzubauen ist. Granit
besteht aus den Gesteinen Feldspat, Quarz und Glimmer. "Diese haben
unterschiedliche Eigenschaften und erwärmen sich verschieden stark.
Abgesehen davon unterscheiden sie sich auch in ihren elektrischen
Eigenschaften, Mikrowellen werden unterschiedlich absorbiert." Auch das
habe zuerst berechnet werden müssen.
"Mit den Ergebnissen der Rechnungen zur Verlustleistung konnten wir dann
eine mechanische Rechnung machen", erklärt Antretter. "Dazu müssen wir
berechnen, wie sich die Temperatur im Gestein zeitlich entwickelt. Davon
ausgehend können wir die mechanischen Spannungen berechnen, wiederum
als Funktion der Zeit." Das wurde mit der kritischen Belastungsgrenze
für die einzelnen Gesteinsbestandteile verglichen, um festzustellen,
wann das Gestein bricht und die gewünschten Risse entstehen.
KURZE PULSE EFFEKTIVER
Thomas Antretters Team simulierte kurze, intensive Pulse von nur einer
Zehntelsekunde und zum Vergleich längere Pulse mit geringerer
Intensität, die 100 Sekunden dauerten. Die eingebrachte Energie war in
beiden Fällen gleich. "In den Simulationen zeigten die kurzen Pulse
etwas mehr Effekt, bei gleicher Energiemenge", berichtet Antretter.
Begleitend dazu gab es Versuche am benachbarten Lehrstuhl für
Bergbaukunde, der Zugriff auf eine Mikrowellenanlage hat. "Dort wurden
tatsächlich Gesteinsproben hineingelegt und bestrahlt, unter
unterschiedlichen Bedingungen und Zeiten. Es hat sich herausgestellt,
dass man diese Riss-Muster erzeugen kann, und sie stimmen gut mit dem
überein, was wir in der Simulation gefunden haben."
Die Idee, Mikrowellen zum Aufbrechen von Gestein zu verwenden, habe es
schon länger gegeben, sagt Projektleiter Antretter. "Man konnte den
Effekt aber nie richtig quantifizieren, die Versuche basierten auf
‚Trial and Error‘. So geriet das wieder in Vergessenheit."
Für eine praktische Umsetzung gebe es noch einige offene Fragen, wie
etwa Fragen zum Brandschutz. "Aus technischer Sicht steht einer
Umsetzung aber nichts im Weg", so Antretter.