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Detailinformationen aus der Tiefe in Sekundenschnelle

21.12.2010
Aufgrund der weltweit wachsenden Produktion steigt der Bedarf an mineralischen Rohstoffen. Eine effiziente Nutzung der Ressourcen gewinnt im Hinblick auf den großen Nachfrageüberhang immer mehr an Bedeutung. Bei den derzeit verwendeten Abbautechniken mineralischer Rohstoffe kann die optimale Ausnutzung der Lagerstätten nicht immer gewährleistet werden. Dies bedeutet einen erhöhten Zeit- und Kostenaufwand. Bergbaubetreiber fordern daher eine verlässliche und schnelle Analysemethode von Abbaugebieten. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat nun ein bergbautaugliches Laseranalysesystem zur Gesteinserkennung in Echtzeit entwickelt.

Häufig verwendete Abbautechniken mineralischer Rohstoffe sind Bohren, Sprengen und die schneidende Gewinnung. Um abschätzen zu können, wo sich die Erschließung eines Abbaugebietes lohnt, benötigt der Steinbruchbetreiber ein genaues Lagerstättenmodell. Dieses zeigt ihm, an welcher Stelle, in welcher Tiefe und in welcher Konzentration sich das gewünschte Nutzgestein befindet. Ein unergiebiger Abbau und die Gewinnung wertlosen Nebengesteins kann so vermieden werden. Der Steinbruchbetreiber spart Zeit und Kosten für die Aufbereitung des Rohstoffs.


Der Laseranalysator im Einsatz auf einem Bohrgerät. Bildquelle: Institut für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie der RWTH Aachen.

Derzeit werden die benötigten Informationen aus der Tiefe mit Kernbohrungen gewonnen. Dabei wird dem Boden ein Bohrkern entnommen, der zur Analyse in ein Labor geschickt wird. Per Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) wird schließlich die Zusammensetzung des ausgebohrten Gesteins bestimmt. Erst nach drei bis fünf Tagen erhält der Bergbaubetreiber die gewünschten Daten, welche die Basis für ein detailliertes Lagerstättenmodell bilden. Diese Methode entspricht dem aktuellen Stand der Technik.

Da die Bohrkernentnahme zeitlich aufwändig ist, fordern Bergbaubetreiber eine schnellere Analysemethode mit ausreichend hohem Detaillierungsgrad. Im Rahmen des BMWi-geförderten InnoNet-Projekts OFUR – Online Analyse für die Gewinnung mineralischer Rohstoffe – haben Forscher des Fraunhofer ILT in Zusammenarbeit mit dem Institut für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie der RWTH Aachen und sieben Industriepartnern einen robusten Demonstrator mit einem Inline-Analysemodul zum Einsatz im Bergbau entwickelt. Dieses analysiert das durchbohrte Gestein direkt. Mit Hilfe eines konventionellen Bohrgerätes, ausgestattet mit dem Analyse-Modul, wird ein bis zu 24 Meter tiefes Loch mit einem Durchmesser von rund 10 Zentimetern in das Gestein gebohrt. Bereits während des Bohrvorgangs misst das System die chemische Gesteinszusammensetzung und stellt die ausgewerteten Daten sofort zur Verfügung. »Die Herausforderung des Projekts bestand darin, die Lasersensorik auf die Betriebsbedingungen im Bergbau zu übertragen«, so Dr. Cord Fricke-Begemann, zuständig für den Bereich Materialanalytik am Fraunhofer ILT. »Wir haben daher eine Messanordnung entwickelt, die mit extremen Temperaturschwankungen, starken Erschütterungen, hoher Feuchtigkeit und Staub zurechtkommt.«

Echtzeitfähige Multi-Element-Analyse

Als Analysemethode wird die Laser-Emissionsspektroskopie (engl. LIBS = Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) eingesetzt. Der Staub wird durch einen Schlauch an die Oberfläche gesaugt und in einem Zyklon nach Korngrößen getrennt. Das erzeugte Staub-Luft-Gemisch passiert den Schlauch mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 Metern pro Sekunde. Währenddessen findet der eigentliche Analysevorgang statt, der nicht mehr als 20 Mikrosekunden beansprucht. Dabei wird ein Laserpuls hoher Bestrahlungsstärke auf die vorbeiströmenden Staubkörner fokussiert. Die Partikel verdampfen und durch das weitere Aufheizen des Dampfes entsteht ein Plasma. Dieses sendet kurzzeitig eine für die darin enthaltenen Elemente spezifische Strahlung aus. Über das Spektrometer wird das emittierte Licht aller Elemente gleichzeitig detektiert. Die Daten werden an einen Computer weitergeleitet und ausgewertet. Bei der Analyse trifft der Laserpuls auf Staubpartikel unterschiedlicher Zusammensetzung. Die Einzeldaten werden in kurzen Zeitintervallen gemittelt und liefern so eine aussagekräftige Information über die Gesteinszusammensetzung. Die zeitliche Abfolge der Daten gibt Aufschluss über die Schichtenfolge in der Lagerstätte.

Der entscheidende Vorteil dieser Methode besteht im großen Zeitgewinn. Bereits nach wenigen Sekunden liegen die ausgewerteten Messdaten vor. Der Steinbruchbetreiber kann so unmittelbar Aussagen zur vorliegenden Qualität treffen und den Gewinnungsprozess daran anpassen. Bislang wurden auf diese Weise bereits die Elemente Magnesium, Kalzium, Silizium, Eisen und Aluminium bestimmt. Die Aachener Forscher haben es sich zum Ziel gesetzt, mit Hilfe eines anderen Spektrometers bald auch Kupfer und weitere Metalle zu ermitteln.

Das echtzeitfähige Multi-Element-Analyseverfahren soll langfristig zur automatischen Steuerung für Gewinnungsmaschinen genutzt werden. Hierzu hat die Gruppe Materialanalytik mit den Partnern ein Konzept entwickelt, wie das System untertägig an Walzenladern eingesetzt werden kann. Übertägig soll der Demonstrator an Bohrgeräten für die Gewinnung mineralischer Rohstoffe zum Einsatz kommen. Die Inline-Analyse ermöglicht hier eine permanente Qualitätskontrolle und Aktualisierung des Lagerstättenmodells. Das bereits begonnene Nachfolgeprojekt hat sich zum Ziel gesetzt, das Analysesystem industrietauglich zu machen. Der industrielle Einsatz einer Bohrmaschine mit Laseranalysegerät würde für die beteiligten mittelständischen Unternehmen einen Alleinstellungsfaktor bedeuten und für sie neue Absatzpotenziale eröffnen.


Ansprechpartner im Fraunhofer ILT
Für Fragen stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:
Dr. rer. nat. Cord Fricke-Begemann
Materialanalytik
Telefon +49 241 8906-196
cord.fricke-begemann@ilt.fraunhofer.de
Dr. rer. nat. Reinhard Noll
Lasermesstechnik
Telefon +49 241 8906-138
reinhard.noll@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel. +49 241 8906-0
Fax. +49 241 8906-121

Axel Bauer | Fraunhofer Institut
Weitere Informationen:
http://www.ilt.fraunhofer.de

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