Mikrowellen induzierte Modifikationen von Gesteins-Eigenschaften und Zerkleinerung

Gesteinszerkleinerung ist ein Prozess, der in großem Umfang sowohl im Tunnelbau als auch in der Gewinnung von Erzen und deren Aufbereitung angewandt wird. Die Effizienz der Gesteinszerkleinerung wird in erster Linie durch einen geringen Verschleiß an Werkzeugen und geringer Zerkleinerungsenergie charakterisiert. Der Einsatz von Mikrowellen in diesem Zusammenhang zeichnet sich durch eine große Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen ins Gestein aus, wodurch tiefer reichende künstliche Risse herbeigeführt werden können. Vorarbeiten haben die Bandbreite an Auswirkungen, von der Bildung einzelner Risse über Abplatzungen bis hin zum vollständigen Bruch, in Abhängigkeit von Typ und Ursprung des Gesteins aufgezeigt. Die vorlaufende Arbeit hat aber auch die Notwendigkeit aufgezeigt, die thermophysikalischen Grundlagen dieser Prozesse besser zu verstehen, um optimierte Prozessparameter hinsichtlich eventueller praktischer Anwendungen angeben zu können. Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es daher Rückschlüsse für die zukünftige Anwendung von Hochleistungsmikrowellen im Bereich der Gesteinszerkleinerung zu gewinnen. Um dieses Ziel zu erreichen, sind im Laufe des Projekts folgende Zwischenschritte eingeplant: (a) Erstellen einer Datenbank der relevanten Gesteinseigenschaften (dielektrische Permittivität, Temperaturleitfähigkeit, thermische Ausdehnung, Wärmekapazität, etc.), (b) Definition eines Simulationsprozesses, der dielektrische Permittivität, Mikrowellenerwärmung und die Ausbreitung von Temperatur und Stress beinhaltet, (c) Definition der Bedingungen für selektive Erwärmung und starke lokale Spannungen bei gepulster Bestrahlung, (d) Definition der Bedingungen für selektive Beanspruchung, die beim a-ß Phasenübergang von Quarz bei 573 C mit einer Volumszunahme einhergeht, (e) Erzielen von Rückschlüssen über die Mikrowellenbestrahlung von Gesteinen hinsichtlich einer effizienteren und kostengünstigeren Anwendung. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Physikern, Festkörpermechanikern, Bergbauingenieuren und Geologen sowie die unterschiedlichen Simulationsansätze, unterstützt durch Experimente, stellen einen neuartigen, integrierten Zugang zur gegebenen Problemstellung der Mikrowellen-Gesteinsinteraktion dar. Der vorgeschlagene Arbeitsplan zeigt daher Wege in Richtung der Entwicklung eines neuen Produkts im Sinne des TRP-Schwerpunkts "Production Technologies" auf. Neue Maschinen und Werkzeuge, wie z.B. "Mikrowellenunterstützte Gesteinszerkleinerung" sowie die Möglichkeiten der effizienteren Produktion mineralischer Rohstoffe können durch einen zukünftigen industriellen Partner mit dem gewonnenen Wissen umgesetzt und entwickelt werden.

Gesteinsabtrag im Berg- und Tunnelbau ist sehr kostenintensiv, insbesondere dann, wenn der zu bearbeitende Fels sehr hart ist. Das beruht hauptsächlich auf der Tatsache, dass nur etwa 1% der investierten Energie in die Schaffung neuer Oberflächen, d.h. in Materialzerkleinerung fließt. Fast der gesamte Rest geht in Form von Reibungswärme verloren, welche durch das Schrammen des Werkzeuges am Fels erzeugt wird. Um die Abbaueffizienz zu erhöhen werden schon seit langem sparsamere Alternativen diskutiert. Eine Möglichkeit besteht darin, das Gestein mit Hilfe von Mikrowellen so lange aufzuheizen, bis die entstehenden thermischen Spannungen hoch genug sind, dass sie Rissbildung im Gestein hervorrufen. Der nachfolgende mechanische Abbauprozess findet dann bereits vorgeschädigtes und daher leichter zu schneidendes Material vor. Die im Zuge des FWF Projekts TRP 284-N30 durchgeführten Forschungsarbeiten konnten nun erstmals die Vorteile dieses Prinzips zuverlässig quantifizieren. Das gelang mit Hilfe profunder theoretischer sowie experimenteller Untersuchungen der relevanten physikalischen Phänomene. Das betraf a) die Ausbreitung der durch eine Hochleistungs-Mikrowellenquelle ausgesandten elektromagnetischen Wellen im Gestein, b) das durch Absorption der Mikrowellen bedingte lokal unterschiedliche Aufheizen des Gesteins, c) die zeitliche Entwicklung des Temperaturfelds zufolge Wärmeleitung, d) die thermische Ausdehnung unterschiedlich heißer Regionen gefolgt von mechanischen Dehnungen und Spannungen, welche die Festigkeitsgrenze des Gesteins überschreiten und somit Risse erzeugen. Das Projekt deckte aber auch den viel komplexeren Fall ab, bei dem die stark heterogene Natur mancher Gesteinsarten mitberücksichtigt wird. Die individuellen Gesteinsbestandteile weisen dabei deutlich unterschiedliche Materialeigenschaften auf, welche die Temperaturunterschiede und infolgedessen die entstehenden Spannungen mitunter beträchtlich verstärken und somit die Rissbildung beschleunigen. Die theoretischen Untersuchungen erforderten das numerische Lösen der die oben angeführten Phänomene beschreibenden Gleichungen mit Hilfe des massiven Einsatzes eines Hochleistungscomputers. Um die Vorhersagekraft der Rechenergebnisse sicherzustellen, wurden die dazu notwendigen Materialparameter in einer Serie aufwändiger Experimente, entweder in Zusammenarbeit mit externen Forschungseinrichtungen (Österreichisches Gießereiinstitut bzw. Seibersdorf Labor GmbH) oder auf selbstentworfenen Anlagen, bestimmt. Die Ergebnisse dieser interdisziplinären Arbeit, mit fachlichen Beiträgen aus dem Bereich der Kontinuumsmechanik, der Mikrowellenphysik sowie der Bergtechnik ermöglichen erstmals eine zuverlässige Vorhersage des Bruchverhaltens von Gesteinsblöcken, wie es auch in im Vorfeld durchgeführten Experimenten beobachtet wurde. Die entwickelte Methode legt somit die theoretische Grundlage, um in Zukunft das Potenzial mikrowellenunterstützter Abbautechniken im industriellen Maßstab voll ausschöpfen zu können.