H2020 – ROBOMINERS

In diesem Arbeitspaket werden bestehende Abbauverfahren in ihren unterschiedlichsten Ausführungen und Anwendungen analysiert, Produkte sowie Forschungsprojekte näher untersucht und abschließend mittels Studien, Analysen und Simulationen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit bewertet.

Zu Beginn müssen die unterschiedlichen Abbauverfahren klassifiziert werden. Diese können unterteilt werden in: Bohren und Sprengen, mechanische, alternative und kombinierte Abbauverfahren. Die in Abb. 3 dargestellten Methoden bilden die Grundlage für die Forschungsarbeiten. Hierbei handelt es sich um anerkannte Methoden, Material zu lösen. Bohren und Sprengen sowie mechanisches Schneiden gelten als gängigste Abbaumethoden im Untertagebau. Zusätzlich behandelt werden wenig bekanntere Technologien, welche sich jedoch durch ihre Anwendbarkeit als relevant herausstellen. Mechanische Schneidsysteme gelten als sehr flexibel, im Hinblick auf die Gesteinsfestigkeit erreichen sie jedoch schnell ihre Grenzen. Bei höheren Gesteinsfestigkeiten wird Bohren und Sprengen als favorisierte Technologie angesehen. Ein großer Nachteil dieses Abbauverfahrens ist die diskontinuierliche Operation. Für niedrige Gesteinsfestigkeiten bzw. spezielle Anforderungen werden andere mechanische Abbauverfahren eingesetzt. Alternative und kombinierte Abbauverfahren wurden entwickelt, um den Defiziten der vorhin genannten Methoden entgegenzuwirken und die Effizienz einzelner Verfahren zu steigern.

Im nächsten Schritt sollen die unterschiedlichen Abbauverfahren anhand folgender Kriterien bewertet werden:

Mithilfe von Literatur und analytischen Studien sollen erste Abschätzungen der spezifischen Energien, Leistungen, Reaktionskräfte und Abbauraten durchgeführt werden, um die Abbauverfahren qualitativ und quantitativ gegenüber stellen zu können. Da Roboter nur begrenzte Leistung und eine vergleichsweise geringe Masse aufweisen, können einige Methoden sehr schlecht bzw. nicht eingesetzt werden. Diese Kennwerte dienen als Basis für die Erstellung einer Bewertungsmatrix, um ideale Szenarien für diese Methoden zu erstellen. Für die detaillierte Analyse und Auslegung müssen im nächsten Schritt realistische Szenarien und Anforderungen aufgestellt werden. Diese beinhalten den Einsatzort, das abzubauende Gestein, die gewünschte Abbaumenge pro Zeiteinheit sowie die zur Verfügung stehende Leistung und aufnehmbaren Reaktionskräfte. Im Kernteil der Arbeit werden verschiedene Konzepte erarbeitet, welche den Anforderungen gerecht werden und in einem mobilen Roboter als Abbauwerkzeug implementiert werden können.

Die Konzeptionierung beinhaltet folgende, wesentliche Aufgaben: analytische Berechnungen, Definition von Systemgrößen und Einsatzgrenzen, Auslegungen, Simulationen sowie 3D-CAD Konstruktionen. Simulationen dienen vorrangig der Berechnung der Reaktionskräfte und erforderlichen Leistung, sollen aber auch für Festigkeitsnachweise herangezogen werden. Die Resultate sollen einen Überblick über die Anwendbarkeit der unterschiedlichen Abbauverfahren geben sowie Konzepte für ausgewählte Szenarien und Anforderungen beinhalten.

In diesem Arbeitspaket sollen die Erkenntnisse, welche aus der vorangegangenen Arbeit gewonnen wurden, angewendet werden, um das Abbauwerkzeug für einen speziellen Bergbau-Roboter zu entwickeln. Dieses Arbeitspaket umschließt die Konzeptionierung, Tests im Labor und die Fertigung eines Prototyps. Die Konzepterstellung erfolgt für definierte Einsatzgebiete und soll anhand der Anforderungen erstellt werden. Das ausgewählte Abbauwerkzeug wird mittels 3D-CAD Konstruktionen und Simulationen konzeptualisiert, in repräsentativen Laborversuchen getestet und abschließend in einem Prototyp implementiert.

In den finalen Testversuchen des Prototyps sollen grundlegende Fähigkeiten und Technologien mit TRL 3–5 bestätigt werden.

Die Einschränkung der Zugänglichkeit zu Rohstoffen erfordert die Erschließung neuer Lagerstätten bzw. Entwicklung neuer Technologien. Einige dieser Szenarien setzen den Einsatz von Robotern zur Ausführung bestimmter Aufgaben voraus. Bereits geschlossene Minen stellen ein sehr gutes Beispiel für den Einsatz von Robotern dar, da diese einige Vorteile mit sich bringen: Minimierung des Risikos für Personen, effizienteres Ausführen bestimmter Arbeitsaufgaben und langzeitige Kostensenkung.

Weltweit findet man viele Lagerstätten, bei welchen ein Bergbau mit konventionellen Methoden nicht wirtschaftlich betrieben werden kann. Eine große Anzahl der verlassenen Minen wurde nach der Auflösung geflutet. Durch die Entwicklung dafür geeigneter Roboter würde eine vorherige Entwässerung nicht notwendig sein. Weiters findet man Rohstoffe in Ultratiefen, welche bis jetzt noch nicht erschlossen werden konnten. Zukünftig sollen diese mit selbständig arbeitenden Bergbaumaschinen erschlossen werden können.

Grundlegend muss noch festgehalten werden, dass Roboter gegenüber konventionellen Bergbaumaschinen Vorteile (Flexibilität, Mobilität, etc.) aufweisen, diese jedoch, aufgrund der vergleichsweise sehr geringen Abbaurate, nicht vollständig ablösen können. Für spezielle Szenarien und Aufgaben wird der Einsatz von Robotern dennoch als sinnvoll und vielversprechend erachtet.

Ziel des Projektes ist es, einen voll mechanisierten und automatisierten Bergbau-Roboter zu entwickeln, der in der Lage ist, den Rohstoff aufzufinden, anschließend zu lösen und zu transportieren. Zum besseren Verständnis der Komplexität des Gesamtsystems müssen einige wichtige Punkte diskutiert werden: Neben den Lösewerkzeugen erfordert es eine Reihe weiterer Instrumente und Werkzeuge für eine erfolgreiche Anwendung.

Eine vollständig autonome Navigation und Wahrnehmung fordern entsprechende Technologien (Kameras, Radar, Lidar, etc.). Entnommene Materialproben sollen für den Abbauprozess als Entscheidungshilfe für die Rohstoffgewinnung dienen. Individuelle Materialproben sollen bereits on-board hinsichtlich ihrer Zusammensetzung analysiert werden (z. B. mithilfe LIBS oder XRF) und abhängig vom jeweiligen Abbaufahren werden Werkzeuge zur Zerkleinerung des abgebauten Materials benötigt.

Anschließend soll das gewonnen Material zu einem definierten Bereich (Zwischenlagerstätte oder Oberfläche) gefördert werden. Als geeignete Fördermethoden erweisen sich unterschiedliche Systeme. Ein praktischer Ansatz das Material zu transportieren, ist die Aufschlämmung des gelösten Materials.

Weiters begleiten einige Nebenaufgaben, wie Einrichten der Infrastruktur, Stabilisierung des Untertagebaus, Wartung und Hilfsarbeiten, die Haupttätigkeiten.

Die oben genannten Aufgaben beschreiben ein für Roboter potenzielles, futuristisches Ökosystem. Um dieses Ökosystem, in einen vollständig autonom arbeitenden Betrieb zu verwandeln, ist nicht zu vermeiden, den einzelnen Aufgaben dezidierte Roboter zuzuweisen.

Ein modularer Aufbau mit einem universellen Grund- oder Hauptmodul erhöht die Flexibilität in der Anwendung. Das Hauptmodul bildet die Basis jedes einzelnen Roboters und je nach Anwendung, werden die Instrumente und Werkzeuge individuell angepasst.