Fördersystem des ROBOMINERS-Prototyps

Die steigende Nachfrage nach Rohstoffen macht es notwendig, neue Lagerstätten zu erschließen, was zu (sehr) tiefen Untertagebergwerken führen kann. Mit Hilfe von vollautomatischen Maschinen bzw. autonomen Robotern sollen schwer zugängliche Lagerstätten erschlossen oder stillgelegte Bergwerke wiedereröffnet werden. Das Konsortium des europaweiten Projekts H2020 Resilient Bio-inspired Modular Robotic Miners (ROBOMINERS) hat in den letzten vier Jahren erste Grundlagenstudien zu zukünftigen robotergestützten Bergbaumaschinen in solchen Szenarien durchgeführt. Es wurden Technologien untersucht, die für die untertägige Erkundung und den selektiven Abbau unter Wasser und/oder in Schlämmen eingesetzt werden können. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Prototyp mit niedrigem TRL-Level entwickelt und getestet, der ausschließlich durch Wasserhydraulik angetrieben wird. Der Prototyp umfasst ein unkonventionelles Fortbewegungssystem, verschiedene Sensoren für Navigation und Wahrnehmung, ein Werkzeug für den Abbau von (kleinen) Mengen an Weichgestein und ein System für den Transport und die Analyse des abgebauten Erzes. Nach einem mehrstufigen Entwurfsprozess wurde ein ausgeklügeltes hydraulisches Slurry-Transportsystem entwickelt, das mithilfe der 3D-Drucktechnologie für das Rapid Prototyping und die Herstellung von Funktionsteilen entwickelt wurde. Das Fördersystem nutzt den Venturi-Effekt und erleichtert den Transport des Erzes von der Ortsbrust zur Rückseite des Roboters und die anschließende Inline-Analyse mit Hilfe der Laser Induced Breakdown Spectrum (LIBS)-Technologie. Die Erprobung des Prototyps in Originalgröße erfolgte in einem Ölschiefer-Tagebau.

1  ROBOMINERS – Projektübersicht

Im Untertagebergbau stellen die schwierigen Bedingungen und die potentiellen Gefahren, die sich aus Ereignissen wie Steinschlag oder Ausbrüchen ergeben, immer wieder ein Risiko für das Personal vor Ort dar. Daher geht der Trend hin zur vollständigen Mechanisierung und anschließenden Automatisierung der Bergbauprozesse. Bestimmte Aufgaben lassen sich jedoch nicht automatisieren, sodass für die Wartung unter Tage die Anwesenheit von Menschen in potentiell gefährlichen Bereichen erforderlich ist. Gegenwärtig gibt es erste Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die sich auf die Entwicklung von Robotern konzentrieren, die in den nächsten drei Jahrzehnten die menschliche Arbeitskraft im Untertagebergbau ersetzen sollen. Künftige Herausforderungen in der Bergbauindustrie, die von Überlegungen zur Nachhaltigkeit und zu ökologischen Auswirkungen beeinflusst werden, erfordern zusätzliches Engagement in Forschung und Entwicklung. Durch die Integration von vollautomatischen Maschinen oder autonomen Robotern wird die Möglichkeit geschaffen, neue Lagerstätten zu erschließen oder bereits stillgelegte Bergwerke wieder zu öffnen und wirtschaftlich zu betreiben. Mögliche Aufgaben von Robotern im Bergbau sind die Wartung von Maschinen, die Erkundung stillgelegter Bergwerke und die Durchführung von Bergbauarbeiten, insbesondere in schwer zugänglichen Gebieten. Das Design von autonomen Robotern kann aufgrund von Faktoren wie Bergwerkslayout, Abbaumethode und Lagerstättentyp erheblich variieren und von der Struktur der derzeitigen Maschinen abweichen. (1, 2)

Das Konzept des Resilient Bio-inspired Modular Robotic Miners (ROBOMINERS)-Projekts ist die Erforschung innovativer Technologien für den Zugang zu schwierigen, unerschlossenen Lagerstätten. In dieser vierjährigen Initiative arbeiteten 14 Institutionen aus elf EU-Ländern zusammen, um Wissen über künftige Technologien für robotergestützte Bergbauszenarien aufzubauen. Ziel waren die Entwicklung und Erprobung eines Prototyps der ersten Generation eines Bergbauroboters im kleinen Maßstab. Es ist wichtig zu betonen, dass dieses Projekt und der daraus resultierende Kleinbergbauroboter zwar für Machbarkeitsstudien zur Erforschung verschiedener Technologien für Szenarien gedacht sind, die den Abbau kleiner Mengen erfordern, aber nicht als Ersatz für konventionelle Berg- und Tunnelbauausrüstungen. Vielmehr sollen die Ergebnisse des Projekts einen Überblick über Technologien geben, die in zukünftige Bergbauroboter integriert werden können. (3, 4)

2  ROBOMINERS RM1-Prototyp

Der größte der verschiedenen ROBOMINERS-Prototypen (RM1) ist ein vollwertiger Roboter, der mit Wahrnehmungswerkzeugen, einem Abbaugerät und einem Materialtransportsystem ausgestattet ist. Die wichtigsten Funktionalitäten wurden im Sommer 2023 in einem estnischen Ölschiefer-Tagebau getestet. Weitere Tests der Wahrnehmungsausrüstung wurden in einem Bergwerk unter Tage in Slowenien durchgeführt. Der Prototyp ist vollständig wasser­hydraulisch angetrieben, hat eine Gesamtleistung von 30 kW und ein Gewicht von etwa 1.350 kg, ist kabelgebunden, ferngesteuert und hat eine Gesamtlänge von etwa 4.500 mm. Im nächsten Abschnitt werden die Module des RM1-Prototyps vorgestellt.

2.1  Design

Das Hauptmodul besteht aus einem strukturellen Rumpf und den dazugehörigen Untersystemen, einschließlich der Aktuatoren, die für die Bewegung der Schraubenräder verantwortlich sind. Der Durchmesser des Roboters (ohne Schrauben) beträgt 800 mm (mit ausgefahrenen Schrauben 1.000 mm). (5, 6)

Um die Traktion zu erhöhen, wird der Prototyp zwei Module enthalten. Dieses zusätzliche Gewicht ist notwendig, um die Kräfte aufzunehmen, die das Abbauwerkzeug beim Schneidprozess hervorruft. Darüber hinaus ermöglicht diese Änderung eine umfassendere Untersuchung des modularen Aufbaus, seiner Funktionalität und seiner Fähigkeiten in einer realen Betriebssituation. Das erste und das zweite Modul haben identische Abmessungen und sind in ihren Hauptkomponenten gleich aufgebaut, unterscheiden sich jedoch in ihrer strukturellen Gestaltung. Der Hauptunterschied liegt darin, dass das zweite Modul mit nur zwei Schraubenrädern ausgestattet ist. Dadurch entsteht ein zusätzliches freies Volumen, das mehr Platz für Systemkomponenten schafft. Bild 1 zeigt das endgültige Design des RM1-Prototyps. (7)

2.2  Fortbewegungssystem

Das Fortbewegungssystem des ROBOMINERS besteht aus einer Antriebsschraube und einem Bein, das als bewegliche Hilfskonstruktion zwischen dem Schraubenrad und dem Hauptrumpf fungiert. Der Schneckenmechanismus beruht auf dem Prinzip der archimedischen Schraube, wobei die installierten Einheiten durch wasserhydraulische Motoren angetrieben werden und die Bewegung des Beins durch einen wasserhydraulischen Aktuator erfolgt. Durch den Einsatz von zwei unabhängig voneinander angetriebenen Schrauben sind außergewöhnlich kleine Kurvenradien möglich.

Das Konstruktionsprinzip des Antriebs bleibt bei allen Modulen des ROBOMINERS-Prototyps gleich. Für den Antrieb der Aktuatoren wird ein wasserhydraulisches System mit offenem Kreislauf verwendet. Die Verwendung von Wasser als Druckmedium bietet gegenüber Öl erhebliche Vorteile wie sehr gute Verfügbarkeit, geringe Kosten, Umweltfreundlichkeit und Nichtentflammbarkeit. Da Wasser jedoch als Hydraulikmedium dient, müssen bei der Konstruktion des Antriebssystems potentielle Probleme wie Korrosion, geringe Schmiereigenschaften und ein erhöhtes Risiko von Leckagen zwischen beweglichen Teilen berücksichtigt werden. Die Schneckeneinheiten, von denen vier an Modul 1 und zwei an Modul 2 angebracht sind, umfassen die Schnecke (1), in der die wasserhydraulische Schneckenantriebseinheit untergebracht ist, radiale Aktuatoren (2) und seitliche Aktuatoren (3). Bild 2 veranschaulicht den Aufbau der Schneckeneinheit (7).

2.3  Abbauwerkzeug

Ein Teilschnittsystem wurde aus verschiedenen Gründen ausgewählt, u. a. wegen seiner Eignung für den kontinuierlichen Gesteinsabbau, seiner Anpassungsfähigkeit an wechselnde Gesteinsbedingungen, der Robustheit des Abbauwerkzeugs und seiner universellen Anwendbarkeit sowohl im Trockenen als auch unter Wasser. Es ist jedoch wichtig, die mit dieser Technologie verbundenen Nachteile zu erwähnen. Die Effizienz mechanischer Schneidsysteme wird maßgeblich von der Festigkeit des zu schneidenden Gesteins beeinflusst. Während des Schneidvorgangs werden in der Regel hohe Reaktionskräfte erzeugt, die von der Maschine oder dem Roboter aufgenommen werden müssen. (8, 9)

Ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung eines Abbauwerkzeugs ist die Bewertung seiner Abbaurate. Daher wurde ein Prüfstand (Bild 3) geplant und im Labor aufgebaut, um die Leistung des Schneidkopfes systematisch zu bewerten. Um die Effektivität des Prüfstands zu gewährleisten, wurden zunächst die Randbedingungen und der Leistungsbedarf des Teilschnittmesserkopfes festgelegt. (9)

Es wurden verschiedene Betonprobekörper hergestellt, darunter solche mit Druckfestigkeiten von 20 und 30 MPa UCS (Uniaxial Compressive Strength). Außerdem wurden Betonprobekörper mit Einlagen aus Ölschiefer (16 MPa UCS) und Kalkstein (ca. 60 bis 80 MPa UCS, nicht gemessen) hergestellt. (9)

Es wurden wichtige Leistungsparameter definiert, darunter die Abbaurate. Bei sehr weichem Gestein wie Ölschiefer wurde eine Abbaurate von etwa 1 m³/h erreicht. Bei festerem und kompakterem Gestein wie Beton mit einer Druckfestigkeit von 30 MPa sank die Abbaurate auf 0,2 m³/h, und die maximale Druckfestigkeit für diesen Schneidkopf wurde mit 40 MPa angesetzt. Jenseits dieser Grenze wird das mechanische Schneiden in diesem Maßstab als unwirtschaftlich angesehen. Die Skalierbarkeit von Schneidköpfen ist kein wesentliches Hindernis, aber ihre Leistungsfähigkeit nimmt bei kleineren Maßstäben deutlich ab. Es hat sich gezeigt, dass diese Methode bis zu einer bestimmten Gesteinsfestigkeit zwar anwendbar, aber nicht wirtschaftlich ist. In hartem Gestein erfordern künftige Herausforderungen andere Ansätze, wie z. B. alternative oder kombinierte Abbaumethoden oder die traditionelle Bohr- und Sprengtechnik. (9)

2.4  Solid-state- und Mid-range-Wahrnehmungssensoren

Im Rahmen des Projekts wurde ein neuartiger Ansatz für autonome Messungen entwickelt, die von einer Roboterplattform durchgeführt werden. In diesem Testszenario dient ein Roboterarm als Analogon zum Ausleger des Prototyps, an dem anstelle des Abbauwerkzeugs ein Messgerät angebracht werden kann. An der Spitze des Roboterarms befindet sich eine Plattform, auf der entweder eine Reihe von acht Elektroden oder ein Cluster von 32 Elektroden (in 8 x 4 Reihen angeordnet) für lineare oder 2,5D-Widerstandstomographie (ERT) und induzierte Polarisationsmessungen (IP) angebracht sind. (10)

Bei den Experimenten wurden zwei Arten von Elektroden verwendet. Der erste Typ bestand aus einer Schraube mit einem 3D-gedruckten Kegel, der mit einer Mischung aus Graphit und Silizium gefüllt war. Beim zweiten Typ wurden gefederte Stifte verwendet, deren Enden mit einer Schicht aus Kupfer und Silber versehen waren (Bild 4). Das letztgenannte Elektrodendesign wurde entwickelt, um sich an die feinen Veränderungen in der Topografie der zu kartierenden Ortsbrust anzupassen und diese zu kompensieren. (10)

 

2.5  Slurry-Transportsystem

2.5.1  Designkriterien

Die Konstruktionskriterien für das Fördersystem wurden vom Konstruktionsstand des RM1-Prototyps Anfang 2022 abgeleitet. Zu diesem Zeitpunkt waren das Layout des RM1-Prototyps einschließlich des Fortbewegungssystems und der Auslegerkonstruktion bereits festgelegt. Bild 5 zeigt das Design des RM1-Prototyps, das die Grundlage für die Designkriterien des Fördersystems bildete.

Das wichtigste Kriterium waren die Beschränkungen hinsichtlich Größe und Beweglichkeit. Wie aus Bild 5 ersichtlich ist, stand nur ein sehr begrenzter Raum für ein Fördersystem in der Nähe des Produktionswerkzeugs zur Verfügung, ohne die Manövrierfähigkeit des Auslegers und/oder die Fortbewegung von RM1 zu beeinträchtigen.

Weitere entscheidende Kriterien waren die Kapazität und die erwartete Korngröße des abgebauten Erzes. Nachdem die Kon­struktion des Abbauwerkzeugs festgelegt war, wurde die erforderliche Kapazität des RM1-Fördersystems auf die Abbaurate des Werkzeugs beschränkt. Labortests des Werkzeugs ergaben, dass bis zu 1 m³ intaktes Erzgestein pro Betriebsstunde gewonnen werden kann. Bei diesen Tests wurde außerdem eine Korngrößenverteilung für das abgebaute Material mit einer D50 von ca. 2 mm und einer D90 von 10 mm ermittelt. Diese Werte wurden bei der Entwicklung des RM1-Fördersystems als Grundlage verwendet. Die Transportdistanz wurde durch das erwartete RM1-Demonstrationslayout bestimmt und auf 10 bis 20 m zwischen dem Prototyp und dem Laser-induced Breakdown-spectroscopy (LIBS)-System festgelegt.

Weitere Konstruktionskriterien waren eine geringe technische Komplexität, um die Komplexität des Prototyps nicht weiter zu erhöhen, und eine einfache Installation und Reparatur während der Demonstration des Roboters. Da die im Rahmen des ROBOMINERS-Projekts verbleibende Zeit begrenzt war, war eine Form des Rapid Prototyping oder die Verwendung von Standardteilen erforderlich, um die Projektziele rechtzeitig und innerhalb des Budgets zu erreichen.

2.5.2  Konzeptentwicklung

Frühe technische Konzepte für ein Fördersystem, das für den RM1-Prototyp geeignet war, basierten sowohl auf mechanischen als auch auf hydraulischen Förder- und Transportsystemen. In Anbetracht der Konstruktion des Prototyps war ein Fördersystem aus zwei Gründen am besten unterhalb des Abbauwerkzeugs positioniert: Platzverfügbarkeit und Möglichkeit der Aufnahme von Material, das vom Abbauwerkzeug abgebaut wurde.

Bei der weiteren Untersuchung industrieller Analoga wurde die Venturi-Pumpe als mögliche Lösung identifiziert. Eine Venturi-Pumpe kommt ohne bewegliche Teile aus und wird durch Wasser angetrieben. Venturi-Pumpen können mit einem kleinen und relativ flexiblen Formfaktor entworfen und hergestellt werden. Beispiele für Venturi-Pumpen sind Extraktionspumpen und Pulvermischer, wie in Bild 6 dargestellt.

2.5.3  Entwicklungsprozess des Venturisystems

Nach der Festlegung der Konstruktionsgrundlage für das RM1-Förder- und Transportsystem wurde die Entwicklungs- und Fertigungsphase eingeleitet. Da nur wenig Zeit zur Verfügung stand, wurde beschlossen, die 3D-Drucktechnologie für das Rapid Prototyping der Venturipumpe, der Hilfsteile und der Montagehalterungen einzusetzen. Ursprünglich sah der Plan vor, die Prototypen durch 3D-Druck in Kunststoff zu erstellen. Danach hätte das endgültige Design in Metall gedruckt oder mit anderen Fertigungsmethoden hergestellt werden können. Während der Rapid-Prototyping-Phase sammelte das Konstruktionsteam jedoch eine Menge Erfahrung mit dem 3D-Druck. Die potentielle Festigkeit der Kunststoffteile, die bei sorgfältiger Auswahl der Druckparameter und Kontrolle der Druckerumgebung durch 3D-Druck hergestellt werden können, wurde als ausreichend erachtet, um den erwarteten physikalischen Kräften auf das Venturi-System während der geplanten Demonstration standzuhalten. Diese Annahme hat sich während der zweiwöchigen Erprobung des RM1-Prototyps unter realen Bedingungen in einem Tagebau in Estland im Sommer 2023 als richtig erwiesen.

Die Grundkonstruktion der entwickelten Venturi-Pumpe für den RM1-Prototyp basierte auf der Arbeit von Xu et al. (11), die in Bild 7 dargestellt ist.

Die Ringstrahlpumpe (RSP) wird größtenteils durch drei Parameter definiert, nämlich den Saugkammerwinkel α, den Diffusorwinkel β und einen Faktor m für das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen des Sekundär- und Primärstroms (11). Xu et al. untersuchten den optimalen Wert für m, d. h. das Erreichen des höchsten Wirkungsgrads, und kamen zu einem Wert von 2,11 mit α ≈ 25° und β ≈ 5°. Auf der Grundlage dieser Parameter wurden mehrere Entwürfe der RM1 RSP erstellt, wie in Bild 8 dargestellt, und anschließend auf das erreichbare Vakuum am Saugeinlass getestet.

Die Leistung der ersten Entwürfe wurde mit einer mehrstufigen Kreiselpumpe mit einer Förderleistung von 6 m³/h bei ungefähr 6 bar Maximaldruck getestet. Es stellte sich heraus, dass der Auslegungsparameter für m mit Werten um 2 bis 3 bei den gegebenen Bedingungen für das Antriebsmedium (5 bis 6 m³/h bei 5 bis 6 bar) nicht zu einer ausreichenden Ansaugung, d. h. einem Vakuum am Sekundäreinlass, führte.

Die Variante 7 mit den unabhängigen Düsen schnitt bei den angegebenen Versuchsbedingungen von 5 bis 6 m³/h bei 5 bis 6 bar Primäreingangsdruck besser ab, d. h. es wurde ein höherer Unterdruck am Sekundäreingang erreicht als bei der Variante 8. Da der Termin für die Vorführung von RM1 immer näherrückte, wurde beschlossen, dass die Version 7 während der Vorführung von RM1 und die Version 8 für weitere Tests nach der Vorführung mit einem Einlassdurchsatz von bis zu 10 m³/h bei einem Druck von 10 bar verwendet werden sollte. Um den höheren Druck für die Version 8 zu ermöglichen, wurde eine spezielle Hochdruckversion der RSP-Konstruktion durch Erhöhung der Gesamtwandstärke vorbereitet. Alle soeben beschriebenen Ausführungen sind in Bild 9 dargestellt.

2.5.4  Fördersystem – Fertigung und Integration

Nachdem die grundsätzliche Konstruktion der RM1-RSP festgelegt war, wurde mit der Integration der RSP in das RM1-Design begonnen. Ziel der Integration war es, die Montage der RSP an der Unterseite des Auslegers zu ermöglichen, während sie an einer Saugdüse mit integriertem Sieb zur Klassifizierung nach Korngröße angebracht ist. Die Klassifizierung wurde mithilfe von Lochblechen mit einem Lochdurchmesser von 10 bis 16 mm vorgenommen. Da der Platz unter dem Ausleger begrenzt ist, wurde ein kompakter und abgerundeter Formfaktor für die RSP und die Saugdüse gesucht. Schließlich wurde auch ein Montagesystem für die RSP- und Düsenbaugruppe entworfen und vorbereitet. Das entwickelte Montagesystem ist modular aufgebaut, sodass die Teile ausgetauscht werden können, um die Montage von Sensoren oder einer zusätzlichen Wasserdüse zur Unterstützung des Abbauprozesses zu ermöglichen.

Die Verwendung von zwei nebeneinander angeordneten Venturis ermöglichte eine große Saugdüsenfläche, welche die gesamte Breite des Auslegers abdeckt. Die beiden Venturis haben einen gemeinsamen Wassereinlass und jeweils einen eigenen Diffusor, von dem aus der Auslass in einem einzigen Schlauch mit großem Durchmesser zusammengeführt wird, der zur Rückseite des Prototyps führt. Das Montagesystem ermöglicht eine gewisse Flexibilität bei der (axialen) Position der RSP entlang des Auslegers, wodurch der Abstand zwischen der Saugdüse und dem Abbauwerkzeug variiert werden kann. Der gesamte Entwurfsprozess der integrierten RSP, der Düse und des Befestigungssystems erforderte einige Iterationen. Die finale Version ist in Bild 10 dargestellt.

2.5.5  Test und Demonstration

Die Erprobung und Demonstration des RM1-Prototyps fand im Ölschieferbergwerk Kunda nahe der Stadt Rackvere in Estland statt. Das Fördersystem, bestehend aus der Saugdüse mit einer 16 mm-Lochplatte, dem doppelten Venturi-System und dem Montagesystem, wurde während der Demonstration erfolgreich erprobt. Das vollständig montierte Fördersystem, wie es bei der Demonstration verwendet wurde, ist in Bild 11 dargestellt. Die Oberseite des Montagesystems wurde mit einem separaten Sensorsystem ausgestattet, das aus zwei druckluftbetriebenen Kolben besteht.

Das vom Abbauwerkzeug während der Demonstration geschnittene Erz wird mit der Venturi-Pumpe zum hinteren Teil des Roboters transportiert. Diese Pumpe wird durch Wasser mit mittlerem Druck (+/- 5 bis 6 bar) angetrieben, das durch eine Venturi-Pumpe fließt und somit ein Vakuum erzeugt. Eine mehrstufige Zentrifugalpumpe, die Wasser aus dem Hauptwasserbecken ansaugt, wurde verwendet, um den für den Antrieb der Venturis erforderlichen Wasserstrom mit mittlerem Druck zu erzeugen. Der erzeugte Unterdruck wird auf eine Saugdüse mit einer Lochplatte an der Unterseite des Auslegers, direkt hinter dem Abbauwerkzeug, ausgeübt.

Das System war in der Lage, Gesteinspartikel bis zu 5 mm aufzusaugen und sie über das LIBS-System zur Rückseite des Roboters zu befördern (Gesamtstrecke über 20 m). Der Venturi-Pumpe gelang es nicht, das gesamte geschnittene Gestein abzusaugen, da die Korngröße nach dem Schneiden zu groß war und folglich das Sieb an der Venturi-Düse nicht passieren konnte. Dies war in Anbetracht der Beschaffenheit des Gesteins am Standort Rakvere zu erwarten. Im Labor konnte der Schneidkopf das Gestein auf die gewünschte Korngröße zerkleinern, auch wenn es sich dabei um nicht zerklüftete Proben handelte, sodass eine gleichbleibend kleine Partikelgröße für das abgebaute Material erzielt werden konnte.

2.5.6  Zukünftige Entwicklungen

Damit das Fördersystem das gesamte vom Schneidkopf geschnittene Gestein extrahieren kann, muss die Korngröße durchweg kleiner und/oder die Durchlassgröße des Venturi-Systems größer sein. Eine weitere Verbesserung wäre die Verwendung eines hohlen Abbauwerkzeugs, mit dem das Material durch den Schneidkopf und in ein konzentrisches Venturisystem direkt hinter dem Schneidkopf gesaugt werden kann. Auf diese Weise wird das geschnittene Erzgestein größtenteils direkt in das Fördersystem gesaugt und fällt nicht auf den Boden. Sekundäre Venturi-Pumpen/Saugdüsen könnten in Bodennähe vor dem Fortbewegungssystem des Roboters installiert werden, um einen erzfreien Weg für die Fortbewegung des Roboters zu gewährleisten. In diese Konstruktion kann ein Brecher integriert werden, um eine geeignete Korngrößenverteilung und damit die vollständige Gewinnung des gesamten vom Abbauwerkzeug abgebauten Gesteins sicherzustellen.

Trotz der Unzulänglichkeiten des für den ROBOMINERS-Prototyp RM1 entwickelten Fördersystems wird davon ausgegangen, dass Venturi-Pumpen aufgrund ihrer Einfachheit in Zukunft für den Roboterbergbau von Bedeutung sein werden. Diese Einfachheit ergibt sich aus dem Fehlen beweglicher Teile in der Venturi-Pumpe und der Möglichkeit, Wasser sowohl als Antriebskraft der Pumpe als auch als Transportflüssigkeit für einen Schlamm zu verwenden. Im Unterwasser-Roboterbergbau könnte eine Venturi-Pumpe ein sehr zuverlässiges Fördersystem antreiben, ohne dass umfangreiche Wartungsarbeiten erforderlich wären, und die Möglichkeit bieten, (einfache) Komponenten vor Ort mithilfe der 3D-Drucktechnologie herzustellen, anstatt komplexe Teile aus einem (weit) entfernten Lager zu nehmen.

2.6  Mineralogische Sensoren

Die LIBS- und Röntgenfluoreszenz (XRF)-Techniken bieten fortschrittliche Möglichkeiten zur Elementmessung und sind weit verbreitet. LIBS ist zwar bei der Beurteilung der Homogenität des Gesteins eingeschränkt, bietet aber einen einfachen spektroskopischen Aufbau und im Vergleich zur XRF umfassendere Elementnachweismöglichkeiten, insbesondere für Elemente mit Ordnungszahlen unter 20. Das wachsende Interesse an LIBS für geologische Analysen ergibt sich aus der Einfachheit, der Kosteneffizienz, der gleichzeitigen Multielementanalyse und dem umfassenden Elementnachweis. Die Fülle an Informationen, die jedes LIBS-Spektrum mit Tausenden von Emissionspeaks enthält, stellt eine Herausforderung für die Echtzeit- und zuverlässige Datenverarbeitung dar. Fortschritte bei der Rechenleistung und spezielle Methoden des maschinellen Lernens verbessern jedoch die Effizienz der Echtzeitverarbeitung von LIBS-Daten und machen die Interpretation von Mineralgehalten aus elementaren LIBS-Ergebnissen zuverlässiger (12). (13)

Im Juli 2023 fand im Bergwerk Kunda eine Feldvorführung statt, bei der die Funktionsweise des in den ROBOMINERS RM1-Prototyp integrierten Fördersystems demonstriert wurde. Dort werden Ölschiefervorkommen im Tagebau abgebaut. Der Zweck dieser Demonstration bestand darin, die Funktionsweise des LIBS-Analysators (Bild 12) zu veranschaulichen, der mithilfe von RM1 ein qualitatives Ergebnis des geförderten Materials liefern kann. Die Feldversuche waren erfolgreich, wobei während des Betriebs von RM1 kontinuierlich LIBS-Spektren erfasst wurden. Für die Demonstration wurde eine spezielle Software angepasst, welche die rohen Peakhöhen einiger im extrahierten Material vorhandener Elemente anzeigt, darunter Silizium (Si), Calzium (Ca), Magnesium (Mg), Aluminium (Al) und Eisen (Fe). Das nachgewiesene Eisen stammt wahrscheinlich vom Pyrit (FeS₂), der in den Ölschieferschichten vorkommt. (13)

3  RM1-Feldversuche

Zweck der Feldtests und Demonstrationen war es, die Fähigkeiten des ROBOMINERS RM1-Prototyps und der im Rahmen des Projekts entwickelten Sensoren zu testen und öffentlich zu demonstrieren. Nach der erfolgreichen vollständigen Inbetriebnahme von RM1 wurde er für weitere Tests und Demonstrationen in das vorgesehene Gebiet verlegt (Bild 13).

Die anschließende Testphase konzentrierte sich auf die Validierung der Leistung des Abbauwerkzeugs und der Fortbewegung. Die Steuerungsalgorithmen sowohl für den Schneidarm als auch für die Fortbewegungsfunktionen wurden während der Tests verfeinert, um ihre Reaktionsfähigkeit unter realen, nicht idealen Bedingungen zu verbessern. RM1 wurde erfolgreich getestet und in öffentlichen Vorführungen vor unterschiedlichem Publikum präsentiert. Die Vorführungen wurden sowohl im Trockenen als auch mit teilweise untergetauchtem Roboter durchgeführt. (14)

Finanzierung

Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 820971 finanziert.