Rahmenbedingungen für den automatisierten Fräsradtausch unter Tiefseebedingungen

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Deep Sea Sampling“ soll eine für die Gewinnung von maritimen Massivsulfiderzen adaptierte Schlitzwandfräse von einem Schiff aus in die Tiefsee abgelassen und mithilfe einer Landeeinheit gezielt auf dem Meeresboden positioniert und ausgerichtet werden (1). Dort angekommen, soll die Anlage an definierten Orten mehrere Schlitze in das Gestein fräsen und das dabei gewonnene kupferhaltige Erz in Behälter fördern, welche separiert von der Anlage zurück zum Schiff transportiert werden können. Die infolge der Gewinnung verschleißenden Fräswerkzeuge müssen aufgrund der großen Distanz zum Versorgungsschiff direkt am Meeresboden und ohne zusätzliche Anlagenbewegung getauscht werden können, um die Gewinnung möglichst effizient und wirtschaftlich zu gestalten. Für den Wechsel der Fräsräder ist daher eine semi-autonome Technologie zu entwickeln, die unter den Anforderungen der Tiefsee einen sicheren und schnellen Austausch ermöglicht.

1  Maritime Rohstoffe in der Tiefsee

1.1  Einschätzung und Verwendung

Im Wesentlichen lassen sich drei große Gruppen von maritimen Erzlagerstätten unterscheiden:

• Manganknollen,
• kobaltreiche Krusten und
• polymetallische Massivsulfide.

Forschung und Entwicklung zum Abbau der Manganknollen-Lagerstätten begann bereits in den 1960er Jahren und ist hinsichtlich verfügbarer Technologien am weitesten fortgeschritten (2). Auch in der öffentlichen Diskussion über Tiefseebergbau sind es zumeist die aktuell vorliegenden Pläne zur Erschließung von Manganknollen-Vorkommen im Pazifik, anhand derer über die Chancen und Risken des Tiefseebergbaus diskutiert wird (3).

Ein wesentlicher und wichtiger Punkt vor jeder Planung möglicher Abbauszenarien ist hierbei die Berücksichtigung der fragilen Ökosysteme der Tiefsee, die durch eine Erschließung der Lagerstätten keinen Schaden nehmen dürfen (4).

1.2  Hydrothermal gebildete Massivsulfide in der Tiefsee

Massivsulfide sind vor allem unter wirtschaftlichen Aspekten interessant, da sie vergleichsweise hohe Gehalte an Kupfererzen aufweisen. Bei der Bewertung von Verfügbarkeiten für die Rohstoffgewinnung werden sie aktuell, vor allem aufgrund des Fehlens breit kommerziell verfügbarer Gewinnungstechnologien, unter Ressourcen und noch nicht unter Reserven gebucht (5). Ihre hydrothermale Bildung in den sogenannten Schwarzen Rauchern erfolgt analog zu den bekannten, vor vielen Hundert Millionen Jahren hydrothermal gebildeten terrestrischen Lagerstätten. Während in diesen Lagerstätten, vor allem im Andengürtel und in Kanada, diese Erze heute infolge geologischer Prozesse unter mehreren Hundert bis über 2.000 m mächtigen Deckgebirgen liegen, finden sich die polymetallischen Massivsulfide der Tiefsee direkt an der Oberfläche des Meeresbodens, was sie für den Abbau und die Gewinnung von Kupfer interessant macht. Neben anderen Ländern hat Deutschland im Jahr 2015 Explorationslizenzen bei der International Seabed Authority (ISA) für ein Gebiet im Indischen Ozean erworben, das seitdem kontinuierlich hinsichtlich der Lage und der Struktur möglicher Massivsulfidlagerstätten untersucht wird (6). Im Dezember 2023 hat Norwegen innerhalb seiner eigenen Exclusive Economic Zone (EEZ) im Nordatlantik liegende Massivsulfidlagerstätten für die Exploration zur Verfügung gestellt (7).

Die Bildung dieser Lagerstätten erfolgt hydrothermal in den Riftzonen der mittelozeanischen Rücken. Tiefenwasser, das durch die sich durch das Auseinanderdriften der ozeanischen Platten bildenden Risse in den Erdmantel dringt, wird dort auf mehrere Hundert Grad Celsius erhitzt und kann so unter Druck und Temperatur Mineralien lösen. Dieses hoch mineralienhaltige Wasser dringt infolge der Erwärmung wieder zurück an die Oberfläche des Meeresbodens, wo infolge des Kontakts mit dem nur ca. 2 °C kalten Meereswasser die in Lösung befindlichen Mineralien an der Grenzschicht ausfallen und Ablagerungen sowie markante „Partikelwolken“ bilden, die wegen ihrer an Qualm aus Schornsteinen erinnernde Erscheinung als Schwarze Raucher bezeichnet werden (8). Die entstehenden Erze sind meist Metallsulfidverbindungen, so beispielsweise Pyrit, Chalkopyrit, Galenit oder Sphalerit, sowie in Folge fortgesetzter Rekristallisationsprozesse weitere Minerale mit hohen Kupferanteilen. Infolge fehlender Transformation durch tektonische und geologische Prozesse sind die Festigkeiten der so entstehenden Erze vergleichsweise gering, wodurch Abbau und Aufbereitung mit geringem energetischem Aufwand möglich sind.

2  Werkzeugwechsel in der Tiefsee

2.1  Herausforderungen

Während für die an Land befindlichen, bekannten Lagerstätten die Herausforderungen in einem steigenden Aufwand für die Gewinnung in immer größeren Teufen, steigenden Abraummengen und sinkenden Kupfergehalten liegen, bieten die Lagerstätten in der Tiefsee die Möglichkeit, Erze mit z. T. sehr hohen Kupfergehalten direkt und ohne zusätzlichen Abraum zu gewinnen.

Die Herausforderungen für den Erzbergbau in der Tiefsee sind vielfältig und beeinflussen in höchstem Maße den gesamten Entwicklungsprozess der dafür erforderlichen Maschinentechnik. Typische maritime Massivsulfidlagerstätten befinden sich in Wassertiefen zwischen 1.000 und 4.000 m. (9, 10) Demzufolge muss die Technik für ein Druckniveau von bis zu 400 bar ausgelegt werden. Darüber hinaus spielt der Umweltschutz in diesen teils noch wenig erforschten Lebensräumen eine entscheidende Rolle, selbst wenn die Exploration nur in Regionen erlaubt ist, in denen die hydrothermalen Prozesse bereits zum Erliegen gekommen sind. Die Flora und Fauna in diesen Tiefseeregionen konzentriert sich vor allem auf die vulkanologisch aktiven Zonen mit ihren typischen Schwarzen Rauchern, in deren direkter Umgebung geeignete Lebensbedingungen existieren.

Ein wichtiger Aspekt ist die vorherrschende Strömung, welche in Meeresbodennähe mit Werten um 0,05 m/s (11) zwar gering ist, aber dennoch zur Ausbreitung feinster Sedimentpartikel führen kann. Daher muss das Aufwirbeln von Sedimenten in der Abbauregion vermieden werden, um keine Ausbreitung von Trübewolken in umgebende Ökosysteme zu riskieren.

Weiterhin zählen Lärm-, Licht- und andere Strahlenemissionen zu den maßgebenden Umweltbeeinträchtigungen maritimer Ökosysteme, welche allerdings von der ISA bislang nicht mit Grenzwerten belegt wurden. Als Orientierung können bereits existierende Grenzwerte für Offshore-Arbeiten herangezogen werden. Als Beispiel ist hier eine Geräuschobergrenze von durchschnittlich 120 dB re 1 µPa² zu nennen (11). Weiterhin sollte der Einsatz von Lichtquellen in der Tiefsee möglichst vermieden werden, um die empfindlichen Sinnesorgane der Lebewesen nicht zu beeinträchtigen. Weitere Bedingungen sind die Folgenden:

• Temperatur 2 bis 4 °C (12),
• Korrosionsgefahr durch erhöhten Salzgehalt und
• absolute Dunkelheit (ab 1.000 m Meerestiefe) (13).

Massivsulfidlagerstätten weisen infolge ihrer hydrothermalen Bildung in den Riftzonen der mittelozeanischen Rücken eine charakteristische Topologie auf, die sich hinsichtlich der Eignung als Standort für Bergbaugerät und eine Landeeinheit in makro-, meso‑, und mikrotopologische Merkmale unterscheiden lassen.

Makrotopologisch ist infolge der Lage der Massivsulfidlagerstätten an den Flanken der Riftzonen in vielen Fällen mit starken Hangneigungen der gesamten Umgebung zu rechnen, die Werte von über 30° annehmen können. Die sich infolge der Aktivität der Schwarzen Raucher dort bildenden sogenannten Mounds formen sich entlang dieser Flanken und weisen daher selten ebene Flächen auf, die als ausreichende Standfläche für die Landeeinheit dienen können. Dies hat direkten Einfluss auf das Absetzverhalten der Landeeinheit und kann im schlimmsten Fall zum Abrutschen oder Umkippen der Maschine führen. Notwendige Abstützungen und Verstrebungen sowie konstruktiv vorzusehende Ausgleichsaufbauten schränken damit den möglichen Bauraum für Werkzeugwechselsysteme stark ein.

Die Mesotopologie, also die typische geologische Strukturierung des Mounds selbst, geht einher mit dem Entstehungsprozess der Massivsulfide. Diese bilden sich durch die fortwährende Abscheidung von in den hydrothermalen Quellen im großen Umfang gelösten Metallsulfiden an der Kontaktstelle mit dem kalten Tiefseewasser. Als aktiver Schwarzer Raucher bilden sich die charakteristischen Schlote, die immer wieder zerfallen und kollabieren, und so über die Zeit bis zur Inaktivität charakteristische Moundstrukturen von bis zu einigen Hundert Metern Durchmesser und bis zu mehreren Zehnern Metern Höhe bilden – und ebenfalls mitunter zu sehr großen Hangneigungen führen. (14) Nach dem Erlöschen der Aktivität setzen sich Umlagerungs- und Rekristallisationsprozesse weiter fort, die zu einer im Vergleich zum aktiven Mound weniger stark geklüfteten Topologie führen, die jedoch immer noch starke Hangneigungen und wenige ebene Flächen aufweisen. (15)

Innerhalb der Mikrotopologie wird auf die eigentliche Oberflächenbeschaffenheit der Landestelle eingegangen. Hier spielen vor allem die Druckfestigkeit des Bodens und die Porosität eine entscheidende Rolle für die Gestaltung der Landemechanik des Tiefseetemplates. Die einaxiale Druckfestigkeit (UCS) ist ein Maß für die maximale axiale Druckspannung, der das Gestein standhalten kann, bis es zerbricht. In der Geotechnik ist die Angabe eines UCS-Werts geeignet, um die Tragfähigkeit eines Gesteinsmaterials zu charakterisieren. Auf Grundlage verschiedener Massivsulfidproben, die im Laufe mehrerer Jahre aus unterschiedlichen Regionen eingesammelt wurden, konnten verschiedene UCS-Werte mit sehr großen Streuungen ermittelt werden. (16) Der Vergleich zwischen den geotechnischen Eigenschaften und der mineralogischen Zusammensetzung der Massivsulfidproben zeigt eine signifikante Korrelation zwischen der Druckfestigkeit und der Porosität. Bild 1 zeigt eine modellbasierte Schätzung der Porositätsverteilung entlang einer Hügelflanke eines typischen Massivsulfidmounds.

Erste Schätzungen auf Grundlage des UCS-Werts deuten auf eine durchschnittliche Porosität von 22% hin. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass oberflächennahe Schichten höhere Porositäten aufweisen (25 bis 30 %) und mit zunehmender Tiefe deutlich dichtere und weniger poröse Mineralanordnungen vorzufinden sind. Aus technischer Sicht hat die Porosität des Gesteins einen direkten Einfluss auf das Einsinkverhalten der Landebeine, weshalb die obersten 3 bis 5 m des Meeresbodens als besonders kritisch angesehen werden. (17)

Im Zweifelsfall ist also von einer durch starke Porositäten und Kavernenbildung gekennzeichneten Oberfläche auszugehen, die hinsichtlich der Standfestigkeit einige notwendige Aufbauten im unteren Bereich der Landeeinheit erfordert und damit ebenfalls Bauräume und Handlingmöglichkeiten stark einschränkt. Neben den bislang genannten Herausforderungen ist die Bedienbarkeit der Gewinnungsmaschine von zentraler Bedeutung für den Erfolg der Explorationskampagne. Aufgrund der großen Distanz von mehreren Kilometern zwischen dem Versorgungsschiff und der Abbauzone ist ein direkter Operatoreingriff an der Maschine nicht möglich. Daher wird das Thema Remote-Bedienbarkeit unumgänglich werden, um auch komplexe Bewegungsabläufe, wie beispielsweise den Fräsradwechsel, souverän in der Tiefsee ausführen zu können.

Bevor dies geschehen kann, muss die mehrere Tonnen schwere Maschinentechnik möglichst präzise auf einer zuvor definierten Landezone abgesetzt, ausgerichtet und mit den entsprechenden Zusatzmodulen, wie beispielsweise Separationsbehälter und Werkzeugwechselsystem, komplettiert werden. Dieser Ablauf kann grob in fünf Phasen eingeteilt werden (Bild 2):

1. Absetzen der Explorationstechnik in das Abbaugebiet und Ausrichten an die topographischen Gegebenheiten,
2. Inbetriebnahme des Fräsensystems und Start des Gewinnungsvorgangs,
3. Anheben des bereits separierten Erzes auf das Schiff,
4. Rückführen des geleerten Separationsbehälters zur Fräse,
5. nach Erreichen der geforderten Schlitztiefe Umsetzen des Fräsensystems bzw. der Module zur nächsten Position.

2.2  Randbedingungen und Notwendigkeiten

Ablauf und Randbedingungen des Fräsradwechsels werden sehr stark durch Aufbau und Funktionsweise der verwendeten Schlitzwandfräse determiniert. Als erste Näherung an die Problematik wird der – bisher manuell durch einen Bediener durchgeführte – Werkzeugwechselprozess im Baustelleneinsatz analysiert, um entsprechende Schlussfolgerungen für eine Remote-Bedienbarkeit treffen zu können, bei der wesentliche, aktuell manuelle Prozesse von Vorbereitung, Durchführung und Justage automatisiert ablaufen müssen.

Eine Schlitzwandfräse besteht aus einer stählernen Tragstruktur (Rahmen), an deren unterem Ende vier jeweils paarweise angeordnete Schneidräder montiert sind. Durch die gegenläufige Rotation (Bild 3) wird das Schneidgut zur Mitte des Fräskopfs transportiert. Die Suspension, bestehend aus Gestein unterschiedlich großer Körnung vermischt mit Salzwasser, wird von einer Pumpe in einen oder mehrere Behälter gefördert, wo mithilfe eines Hydrozyklons eine Separation von unerwünschten Bestandteilen stattfindet.

Die Schneidräder sind mit speziellen Meißeln bzw. Fräszähnen besetzt (üblicherweise 25 Zähne pro Rad), welche in Abhängigkeit der Abrasivität des zu fräsenden Gesteins entsprechendem Verschleiß unterliegen. Unter bestimmten Bedingungen kann es auch zum Abbrechen der Zähne kommen, was letztendlich den Schneidfortschritt und damit die Fördermenge maßgeblich reduziert.

Bei der Entscheidungsfindung für eine entsprechende Werkzeugwechselstrategie spielen Bewertungskriterien wie die Anzahl der Werkzeuge, zu bewegende Masse sowie veranschlagte Zeit für den Wechselvorgang eine Rolle. Allem voran ist aus dem bereits genannten Grund der Remote-Bedienbarkeit eine Automatisierung der Wartungsarbeiten zu berücksichtigen, da ein direkter menschlicher Prozesseingriff in diesen Wassertiefen nicht möglich ist.

Für eine Automatisierung eines bislang vorwiegend händisch durchgeführten Werkzeugwechsels muss der Gesamtprozess zunächst analysiert und verstanden werden, wozu dieser in seine Teilprozesse zerlegt wird. Darauf aufbauend können entsprechende Randbedingungen formuliert werden, mit denen eine Automatisierung der Prozesse überhaupt erst möglich wird.

Im regulären Baustelleneinsatz werden üblicherweise einzelne Meißel im Rahmen einer bedarfsorientierten oder vorsorglichen Wartung gewechselt, indem diese mit einem Spezialwerkzeug vom Monteur händisch aus- bzw. wieder eingeschlagen werden. Der Austausch kompletter Fräsräder wird nur dann in Erwägung gezogen, wenn aufgrund unterschiedlicher geologischer Bodenzusammensetzungen eine angepasste Schneidgeometrie gefordert ist. Ein weiterer Grund kann die Anpassung der Schlitzbreite sein. Bei der zum Einsatz kommenden Schlitzwandfräse erfolgt der Fräsradwechsel typischerweise durch Lösen reibschlüssiger Verbindungen (üblicherweise 30 oder mehr Schrauben). (17) Das Schneidrad wird vom Monteur unter Zuhilfenahme einer geeigneten Hebevorrichtung von der Nabe abgezogen, die Anlageflächen sowie Gewindegänge werden gereinigt und ein neues Fräsrad mit aufbereiteten Schrauben montiert. Hierbei besteht der Anspruch, eine schlupffreie sowie dauerhaft sichere Verbindung zwischen Fräsrad und Nabe herzustellen, die den Kräften und Drehmomenten im Betrieb standhält. Demnach ist der Befestigungsmechanismus der Schneidwerkzeuge von zentraler Bedeutung, um eine semi-autonome Handhabung in der Tiefsee zu realisieren.

Daraus ergeben sich für Wartung und Instandhaltung der Fräswerkzeuge am Meeresboden die folgenden Rahmenbedingungen: Basis ist die robuste Gestaltung sowohl der Mechanismen als auch der Prozessabläufe. Hierzu ist die Anzahl der verfügbaren Systemfreiheitsgrade soweit zu reduzieren, dass die Arbeitsabläufe für eine automatisierte Handhabungseinheit umsetzbar sind. Im Template ist daher eine Wartungsposition mit definierten Endanschlägen vorgesehen, in welche die Fräse hineingefahren wird. Damit kann unter Beachtung aller Toleranzen eine hohe Wiederholgenauigkeit hinsichtlich Positionierung (X, Y, Z) und Orientierung (rot_X, rot_Y, rot_Z) zwischen Fräse und Template sichergestellt werden. Weiterhin findet eine Reduzierung auf Einzelachsen statt, wodurch eine Überlagerung der Bewegungsabläufe ausgeschlossen wird, um die Prozesse beherrschbar zu gestalten.

Die Handhabungstechnik zum Aufnehmen, Umsetzen und Ablegen der Fräsräder wird an einer definierten Position am Template integriert. Im Idealfall befinden sich die Rotationsachsen von Fräsrad und Handlingsystem auf einer identischen Höhe, wodurch die o. g. Arbeitsabläufe ausschließlich in einer Ebene stattfinden können. Das führt zu einer Vereinfachung der Prozesse und steigert die Sicherheit wie auch die Geschwindigkeit beim Wechsel der Schneidwerkzeuge. Ebenso ist die Masse der zu bewegenden Bauteile zu beachten. Im aktuellen Projekt wurde eine Gewichtsgrenze von 2 t gewählt, um die Dimensionierung der Tragstruktur sowie der Antriebstechnik angemessen gestalten zu können.

2.3  Montagesystem

Damit die oben beschriebenen Randbedingungen eingehalten werden können, steht am Anfang der Entwicklung ein zuverlässiger und gut automatisierbarer Koppelmechanismus zwischen Fräsrad und Nabe. Die technische Auslegung fand unter Einbeziehung folgender Aspekte statt:

• Einsparen maschinell ausgeführter Arbeitsschritte,
• Reduzieren der Bauteilanzahl,
• erhöhte Prozesssicherheit durch verliersichere Verbindungselemente,
• gezielter Einsatz mechanischer Führungshilfen für eine erleichterte Positionierung in der Tiefsee.

Im Ergebnis ist ein Fräsrad-Wechselsatz entstanden, der als vormontierte Einheit mit der Nabe des Fräskopfs verbunden werden kann (Bild 4).

Über zwölf Schrauben wird das Schneidrad reibschlüssig mit der Nabe gekoppelt, wobei der weit außen liegende Lochkreis für eine gleichmäßige Krafteinleitung in das Schneidrad sorgt. Ein wesentlicher Anspruch der Konstruktion ist es, die Verbindungselemente in einem vormontierten Zustand im Fräsrad zu integrieren. Die Vormontage kann außerhalb der Tiefseeumgebung auf dem Versorgungsschiff erfolgen, indem die Schrauben inkl. Führungselementen im Lochbild einsetzt und mithilfe der Stirnplatte gegen Herausfallen gesichert werden. Über eine zusätzliche Feder zwischen Grundkörper und Führungselement wird die Schraube vorgespannt und gegen die Stirnplatte gedrückt.

Durch diesen Aufbau befinden sich die Verbindungselemente in einer definierten Position im Fräsrad und können durch die Kombination von Stirnplatte und Spannvorrichtung weder axial verrutschen noch herausfallen. Die Gewindekörper sind durch die umgebende Struktur mechanisch geschützt, was besonders bei der maschinellen Handhabung der Schneidräder für zusätzliche Funktionssicherheit sorgt.

Für die Handhabungstechnik am Meeresboden entfällt das störungsanfällige Einsetzen und Entnehmen der Schrauben, da lediglich das An- bzw. Abschrauben automatisiert werden muss.

3  Zusammenfassung und Ausblick

Der Fräsradtausch in der Tiefsee wird als eine der großen Herausforderungen innerhalb des Forschungsprojekts Deep Sea Sampling angesehen, bietet jedoch das Potential, die Wartungsarbeiten am Fräsensystem deutlich effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten.

Anhand der analysierten Anforderungen an den Fräsradwechsel konnte der Befestigungsmechanismus zwischen Schneidrad und Nabe als grundlegende Problematik herauskristallisiert werden, da hier die Basis für einen zuverlässigen und sicheren Wartungsprozess gelegt wird. Die konstruktive Auslegung fand unter dem Gesichtspunkt einer semi-autonomen Werkzeugwechselstrategie statt, da ein direkter Operatoreingriff in der Tiefsee nicht möglich ist. Das Schneidrad wird zusammen mit den Verbindungselementen als vormontierte Einheit konzipiert. Dabei werden die Schrauben über einen federbelasteten Führungsmechanismus in einer definierten Position gehalten. Bei der Montage bzw. Demontage der Fräsräder am Meeresboden entfällt damit die Handhabung einzelner Verbindungselemente, wodurch der Wartungsprozess deutlich robuster, zuverlässiger und schneller wird.

Derzeit wird am Institut für Maschinenbau der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Freiberg, in Zusammenarbeit mit der BAUER Maschinen GmbH, Schrobenhausen, ein Funktionsmuster des Werkzeugwechselsystems angefertigt, um die entwickelten Teillösungen unter realen Bedingungen erproben zu können.