In een project gefinancierd door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF, een onderzoeksgroep uit Leoben onderzocht hoe opgravingsmethoden voor hard gesteente verbeterd konden worden door microgolfstraling te gebruiken om klassieke mechanische opgravingen gemakkelijker te maken en energie te besparen.

Het uitgraven van hard gesteente zoals graniet is een proces dat veel tijd en energie kost, of het nu in de mijnbouw of in tunnels is. Er zijn verschillende stappen nodig. Allereerst, Er worden scheuren gemaakt in compact gesteente om het te laten fragmenteren in afzonderlijke stukken die vervolgens kunnen worden opgegraven en verwijderd. In de geschiedenis van de mijnbouw deze eerste stap werd vaak uitgevoerd met behulp van vuur - omdat hitte de rots doet barsten. Een interdisciplinair project van de leerstoelen voor mechanica, Physics and Mining Engineering aan de 'Montanuniversität Leoben' (Leoben University of Mining Sciences) onderzochten een moderne versie van die strategie, microgolven gebruiken om de rots te verwarmen.

"Alle conventionele graafmethoden hebben één ding gemeen:je wilt eerst de rots breken, d.w.z. meer oppervlakken creëren, maar slechts een klein deel van de energie gaat echt in die fragmentatie. Het leeuwendeel gaat verloren in de vorm van warmte, ", zegt hoofdonderzoeker Thomas Antretter van het Institute of Mechanics aan de Montanuniversität. Momenteel de rots wordt ofwel gestraald of mechanisch gefragmenteerd met zware machines en vervolgens uitgegraven. "Dit is een gigantische verspilling van energie. We willen mechanisch graven niet volledig vervangen, dat zou onmogelijk zijn. Maar we kunnen het makkelijker maken, ', zegt Antretter.

25 keer sterker dan een magnetron

Het is bekend dat microgolven kunnen worden gebruikt om voedsel op te warmen. Het ligt minder voor de hand, echter, dat microgolven ook kunnen worden gebruikt om steen op te warmen. "Je zou eigenlijk een stuk steen in een magnetron kunnen doen en het zou warm worden, " legt Antretter uit. "Om echte scheuren te creëren, echter, je hebt veel meer energie nodig." Voor de oefentoetsen ze gebruikten een magnetron met een vermogen van 25 kW, dat is ongeveer 25 keer de energie die wordt geproduceerd door een magnetron. Toegepast door middel van een apparaat dat eruitziet als een slang, de microgolven worden door deze holle geleider geleid.

De groep van Antretter was verantwoordelijk voor de computersimulaties. "De simulaties waren vrij uitgebreid, omdat we eerst de elektromagnetische processen moesten berekenen, de bestraling en voortplanting van elektromagnetische golven, en toen moesten we uit deze berekeningen concluderen hoe het graniet zou opwarmen."

Antretter was vooral geïnteresseerd in graniet vanwege de moeilijkheden die het met zich meebrengt bij het uitgraven vanwege de hardheid. Graniet bestaat uit veldspaat, kwarts en mica. "Deze mineralen hebben verschillende eigenschappen en worden in verschillende gradaties verhit. ze verschillen ook in hun elektrische eigenschappen, wat betekent dat ze microgolven anders absorberen." Dit moest ook voorafgaand aan de experimenten worden berekend.

"De resultaten voor vermogensdissipatie werden vervolgens gebruikt om de mechanische aspecten te berekenen, " legt Antretter uit. "Om dat te doen, we moesten berekenen hoe de temperatuur zich in de loop van de tijd in het gesteente gaat ontwikkelen. Gebaseerd op dat, we kunnen de mechanische spanningen en spanningen berekenen, weer als functie van de tijd." De resultaten werden vergeleken met de kritische spanningsniveaus voor de afzonderlijke componenten van het gesteente om te bepalen wanneer het gesteente zou breken en de gewenste scheuren zou veroorzaken.

Korte pulsen effectiever

Het team van Thomas Antretter simuleerde korte, intense pulsen die slechts een tiende van een seconde duurden en vergeleek ze met langere pulsen van lagere intensiteit die 100 seconden duurden. De energie-output was in beide gevallen gelijk. "In de simulaties de korte pulsen vertoonden iets meer effect met dezelfde hoeveelheid energie, " meldt Antretter. Tegelijkertijd tests werden gedaan bij de naburige leerstoel Mijnbouwkunde, waar de onderzoekers toegang hebben tot een magnetron. "Daar, ze bestraalden in feite gesteentemonsters onder verschillende omstandigheden en gedurende verschillende tijdsperioden. Het bleek dat je scheurpatronen kunt maken en dat die goed zullen aansluiten bij de resultaten van onze simulatie."

Het idee om microgolven te gebruiken om gesteente te breken, bestaat al een tijdje, herinnert hoofdonderzoeker Antretter zich. "Maar men zou het effect nooit precies kunnen kwantificeren, de tests werden gedaan op basis van vallen en opstaan. En zo vergaten ze het weer."

Er zijn een aantal open vragen over de uitvoering in de praktijk, zoals brandveiligheidskwesties. "Maar puur technisch gezien er is niets dat implementatie in de weg staat, ', zegt Antretter.