Laseranalyse optimiert Rohstoffgewinnung
Ein Verfahren der RWTH Aachen macht es erstmals möglich, dass Mineure schneller als bisher wissen, ob sich die Ausbeutung einer Lagerstätte lohnt. Die neue Technik erlaubt endlich eine Echtzeitanalyse bei der Rohstoffgewinnung. Im Bohrgut werden schon während des Lösevorgangs die gelösten Mineralien bestimmt und das Lagerstättenmodell lässt sich so direkt vor Ort aktualisieren.
„Ofur“ bringt die Bergleute einem wichtigen Ziel näher: direkt vor Ort wissen, was die Lagerstätte birgt. Ofur steht für „Online-Analyse für die Gewinnung mineralischer Rohstoffe“. Und online vor Ort direkt zu analysieren ist ein Vorteil, denn bisher finden bei Sprenglochbohrungen Analysen des durchbohrten Materials ausschließlich im Labor statt.
Eine Zuordnung der Analyseergebnisse zur durchbohrten Gesteinsmasse ist nur mit großem Aufwand möglich. Zudem stehen die Informationen in der Regel, bedingt durch die aufwändige Laboranalyse, erst zeitverzögert zur Verfügung. Das erschwert eine Anpassung des Bohrrasters und eine schnelle Abbauplanung deutlich. Dank Ofur soll jetzt alles einfacher und schneller gehen.
Das neue Aachener Bestimmungsverfahren kommt vom Institut für Maschinentechnik der Rohstoffindustrie (IMR) der RWTH Aachen, dem Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik und mehreren Industriepartnern. Das System wird direkt an Sprengloch-Bohrgeräte angebaut und bringt so den Bohr- und Analysevorgang auf dem Gerät zeitlich und räumlich näher zusammen.
„Es besteht aus einem kompakten Demonstrator, der Materialanalysen mittels Laser-Emissionsspektroskopie durchführt“, erläutert Marina Gaastra, die als wissenschaftliche Mitarbeiterin am IMR das Projekt betreut. „Das Ofur-Analysegerät erlaubt die qualitative und quantitative Onlineanalyse abgebauter Wert-Mineralien in Echtzeit, wodurch das System eine permanente Qualitätskontrolle und Aktualisierung von Lagerstättenmodellen realisiert.“
Bei der Konstruktion des kompakten Analysators für den Einsatz im Kalksteintagebau bestand das Hauptziel des Forschungsvorhabens in der Anpassung der Technologie an bergbauliche Anwendungen und raue Umgebungsbedingungen. Dazu wurde der Demonstrator während der Entwicklungsphase im Labor und im Feldeinsatz getestet, um zukünftig als kompaktes Analysegerät in Bohrgeräte für den Dauereinsatz integriert werden zu können.
Die Laser-Emissionsspektroskopie, kurz LIBS (von engl: Laser In-
duced Breakdown Spectroscopy), ist ein berührungsloses Verfahren zur schnellen Elementanalyse. Es wird in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt wie in der Umweltüberwachung und der Qualitätssicherung.
„Mit LIBS lassen sich feste, flüssige und gasförmige Proben ohne Probenvorbereitung analysieren“, führt Gaastra aus. „Die Analyse mehrerer Elemente erfolgt dabei simultan. Zusätzlich sind alle Elemente des Periodensystems innerhalb von Millisekunden detektierbar, was die Vorteile von LIBS gegenüber gewöhnlichen Untersuchungsmethoden wie der Röntgenfluoreszenzanalyse verdeutlicht. Vor allem können im Gegensatz zu anderen Analyseverfahren auch leichte Elemente mit laser-
induzierter Plasmaspektroskopie identifiziert werden.“
Bei einer LIBS-Analyse verdampft ein fokussierter Laserstrahl wenige Mikrogramm Material von der Oberfläche der Probe und heizt den Dampf auf eine Temperatur von 10 000 K bis 25 000 K auf, wodurch ein Plasma entsteht. In diesem Prozess werden die Moleküle des zu analysierenden Materials in einzelne Atome zerlegt.
Das Plasma kühlt sich innerhalb weniger Mikrosekunden ab, und die Atome kehren in ihren Grundzustand zurück. Dabei emittieren sie Licht mit Wellenlängen, die für das chemische Element charakteristisch sind. Optische Linsen fangen das abgestrahlte Licht auf und führen es über Lichtwellenleiter in ein Spektrometer. Dort wird das Licht zerlegt und von einer CCD-Kamera erfasst. Aus den Daten des Spektrometers werden die Elementgehalte bestimmt.
„Die Ergebnisse der Analyse liegen dabei in Form von Intensitätsspektren vor. Jedes Spektrum beinhaltet Peaks bei bestimmten Wellenlängen mit verschieden hohen Intensitäten“, erklärt Gaastra. Die Wellenlänge, bei der ein Peak auftritt, ist für jedes chemische Element einzigartig. So lässt sich bestimmen, welche Elemente vertreten sind. „Die quantitative Analyse erfolgt anschließend, nach vorausgegangener Kalibrierung, in Abhängigkeit von der Intensität des jeweiligen Peaks.“
Die Forscherin wies in einem Kalksteintagebau die Anwendbarkeit der Technologie für den Bergbau nach. Während des Bohrprozesses im Steinbruch fördern die Luftspülung und die Staubabsaugung des Bohrgerätes das gelöste Gestein und Staub an die Oberfläche. Die Analyse des Bohrkleins erfolgt gleichzeitig kontinuierlich durch eine Öffnung im Ansaugschlauch des Bohrgerätes.
IMR-Leiter Karl Nienhaus ist überzeugt, dass das Ofur-Gerät neue Möglichkeiten bei der Echtzeitanalyse mineralischer Rohstoffe eröffnet. „Neben der gegenwärtig entwickelten Einsatzmöglichkeit an Bohrgeräten bietet sich durch die Vielseitigkeit der verwendeten Analysemethode ein enormes Potenzial zur weiteren Verwendung.“ Langfristig könne der Einsatzbereich auf zusätzliche Gebiete mit ähnlich rauen Umgebungsbedingungen erweitert werden.
Nienhaus zufolge lässt sich die Analysesoftware von Ofur durch Änderung der Auswertealgorithmen an andere mineralische Rohstoffe anpassen. Er denkt dabei an die Verwendung des Systems auf Walzenladern im Steinkohlebergbau. „Die Analyse kann hierbei zu einer Unterscheidung von Kohle und Nebengestein beitragen. Des Weiteren wären Einsätze in Salzbergwerken oder bei der Analyse von Erzen denkbar“, sagt Nienhaus. ECKART PASCHE
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