DOCX 0,07 MB - Fraunhofer ILT

Presseinformation
Aachen,
20. Dezember 2010
Detailinformationen aus der Tiefe in Sekundenschnelle
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.
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.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Marketing und Kommunikation
Dipl.-Phys. Axel Bauer
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Telefon 0241 8906-194
Fax 0241 8906-121
[email protected]
www.ilt.fraunhofer.de
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
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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.
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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
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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.
Bildunterschrift:
Der Laseranalysator im Einsatz auf einem Bohrgerät.
Bildquelle: Institut für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie der RWTH Aachen.
Online-Pressenotiz und Foto: www.ilt.fraunhofer.de
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Ansprechpartner im Fraunhofer ILT
Für Fragen stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:
Dr. rer. nat. Cord Fricke-Begemann
Materialanalytik
Telefon +49 241 8906-196
[email protected]
Dr. rer. nat. Reinhard Noll
Lasermesstechnik
Telefon +49 241 8906-138
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