Detailinformationen aus der Tiefe in Sekundenschnelle

  • 21. December 2010

Ein neu entwickeltes, bergbautaugliches Laseranalysesystem erkennt die Zusammensetzung von Gesteinsproben in Echtzeit.

Häufig verwendete Abbautechniken mineralischer Rohstoffe sind Bohren, Sprengen und die schneidende Gewinnung. Um abschätzen zu können, wo sich die Erschließung eines Abbaugebietes lohnt, benötigen Steinbruchbetreiber ein genaues Lagerstättenmodell. Dieses zeigt ihnen, an welcher Stelle, in welcher Tiefe und in welcher Konzentration sich gewünschte Nutzgesteine befindet. 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.

Abb.: Der Laseranalysator im Einsatz auf einem Bohrgerät. (Bild: Institut für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie der RWTH Aachen)

Forscher des Aachner Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT haben 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.

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.

Der entscheidende Vorteil dieser Methode besteht im großen Zeitgewinn. Bereits nach wenigen Sekunden liegen die ausgewerteten Messdaten vor. Steinbruchbetreiber können 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.

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT / AL


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