Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Neues Testverfahren für Photovoltaikwafer als DIN SPEC
26.06.2017 | Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig

nachricht Ausweg aus dem Chrom-Verbot
30.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie