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 Schnell, präzise, aber nicht kalt
17.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Neues Laserstrahl-Schweißverfahren des Fraunhofer IWS erlangt die Zertifizierung der DNV GL
16.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Medikamente aus der CLOUD: Neuer Standard für die Suche nach Wirkstoffkombinationen

23.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen

23.05.2017 | Physik Astronomie