Erdbeobachtungstechnologien im Bergbau

Bevölkerungswachstum, Klimawandel, technischer Fortschritt und strategische Fragen im Zusammenhang mit der Autonomie der heimischen Lieferketten sind nur einige der Faktoren, die einen wiedererstärkten Bergbau auf europäischem Gebiet wünschenswert bzw. erforderlich machen. Die Europäische Union (EU) reagiert darauf mit dem sogenannten „Critical Raw Materials Act“ (CRMA), der u. a. Quoten für die Primärversorgung mit kritischen Rohstoffen festlegt und die Genehmigung von strategischen Projekten beschleunigen soll [1]. Gleichzeitig sollen aber auch die Ziele für nachhaltige Entwicklung („Sustainable Development Goals“, SDGs) und weitere Ziele wie die CO₂-Neutralität erreicht werden. Daraus ergibt sich eine Reihe von Herausforderungen, die die steigende Nachfrage nach Rohstoffen und damit auch das angestrebte Wachstum des Sektors beeinflussen. Die mineralgewinnende Industrie steht unter dem ständigen Druck der gesetzgebenden Institutionen, die bestehenden europäischen, nationalen und regionalen Normen für einen nachhaltigen Bergbau einzuhalten. Die Beschaffenheit der europäischen Rohstoffe, Umweltauflagen und die Reaktionen der Öffentlichkeit werden Innovationen im Bergbau über die gesamte Lieferkette und den Lebenszyklus eines Bergwerks erforderlich machen [2].

Das steigende Interesse an Erdbeobachtungs- bzw. Fernerkundungstechnologien, begleitet von bedeutenden technologischen Entwicklungen, lässt deren Anwendungsbereich auch in der Bergbauindustrie wachsen. Bei der Fernerkundung handelt es sich um eine Technologie, die es ermöglicht, die physikalischen Merkmale eines Gebiets auf der Erdoberfläche durch Messung der reflektierten und emittierten Strahlung aus der Ferne von verschiedenen Plattformen aus (d. h. Satelliten wie in Abb. 1, Flugzeuge, Drohnen) zu erfassen und zu überwachen. Zeit- und Kosteneffizienz, die Anpassungsfähigkeit an extreme Bedingungen, Zugänglichkeit und die Effektivität der Datenerfassung sind nur einige Vorteile dieser Technologien. Bislang gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Anwendungsbeispielen für Fernerkundungstechniken in der mineralgewinnenden Industrie [3‐5], aber es gibt ein großes Potenzial für die Integration dieser Technologien in den gesamten Lebenszyklus für verschiedene Zwecke wie Prozessverbesserung, Umwelt‑, Gesundheits- oder Sicherheitsüberwachung.

Das zu Jahresbeginn 2023 gestartete 30-monatige Horizon Europe S34I (steht für „Secure and Sustainable Supply for raw materials for EU Industry“) Projekt (https://​s34i.​eu/​) zielt darauf ab, neue Methoden zur Analyse von Erdbeobachtungsdaten einzuführen, um die im CRMA geforderten europäischen Gewinnungsquoten durch eine Verbesserung der systematischen Rohstoffexploration und der laufenden Überwachung von Abbau‑, Schließungs- und Nachsorgeaktivitäten zu fördern (Abb. 1). Verschiedenartige und plattformübergreifende Daten und integrierte Verarbeitungsmethoden werden optimiert, um das Potenzial neuer Fernerkundungsanwendungen durch die Entwicklung neuer und die Verbesserung bestehender Methoden zu demonstrieren. Optische und Synthetisches Apertur Radar (SAR) Satellitendaten in Kombination mit anderen Fernerkundungsdaten, die von unbemanntes Luftfahrzeugs (UAVs) und aus der Luft gewonnen wurden, sowie In-situ-Messungen dienen als Grundlage für die Entwicklung innovativer Arbeitsabläufe, die an den verschiedenen Pilotstandorten prototypisch erprobt und validiert werden. Ziel dieses Projekts ist es, neue Wege für die Zulassung neuer Methoden zur Fernüberwachung von Bergbaubetrieben in verschiedenen Phasen und für unterschiedliche Zwecke zu eröffnen.

Sechs verschiedene Standorte in ganz Europa – zwei Explorationsstandorte in Spanien, ein aktiver Abbaustandort in Österreich und drei Schließungs- und Nachsorge-Standorte in Finnland und Deutschland werden als Pilotstandorte für S34I genutzt. Der gesamte Lebenszyklus des Bergbaus einschließlich innovativer Instrumente wie der Unterwasser-Hyperspektralbildgebung (UHI) zur Erkundung kritischer Rohstoffe wird abgedeckt. Die neuen Datensätze und die entwickelten Methoden werden das vorhandene Wissen bereichern und das Potenzial der Erdbeobachtungstechnologien für eine aktive Integration in die Bergbauindustrie aufzeigen.

Ziele des Projekts sind die Bereitstellung von sechs neuartigen, öffentlich zugänglichen, hochwertigen Datensätzen, z. B. In-situ-Daten zum Aufbau von Spektralbibliotheken, die zur Validierung/Kalibrierung von EO-Methoden oder zum Training von KI-Modellen verwendet werden können. Darüber hinaus ist die Einführung von 14 innovativen, auf künstlicher Intelligenz (KI) basierender Methoden für die Analyse von Erdbeobachtungsdaten in verschiedenen Phasen des Lebenszyklus des Bergbaus, der Prototyp von drei auf Erdbeobachtung basierenden Diensten für die Kartierung kritischer Rohstoffvorkommen (CRM), Frühwarnungen (z. B. Stabilitätskarten) und Umweltüberwachung (z. B. Wasserqualität), die Formulierung einer umfassenden Forschungs- und Innovationsagenda mit Schwerpunkt Erdbeobachtung für den Bergbau, die Bereitstellung von Empfehlungen für eine verbesserte Politik und die Erstellung von Leitlinien für die effektive Integration der Erdbeobachtung in der Bergbauindustrie geplant. Die übergeordnete Zielsetzung des Projekts zusammengefasst (siehe auch Abb. 2):

Die technologischen Ergebnisse des Projekts erlauben einen breiteren und tieferen Beitrag für die Bergbauindustrie. Indem der Mehrwert der Erdbeobachtungsmethoden in den industriellen Prozessen aufgezeigt wird, werden verschiedene Akteure, wie Industrievertreter, lokale Gemeinden, Regierungsbehörden, aber auch Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger, die Nutzung solcher Daten annehmen und fördern.

Im Rahmen des Projekts wird der Stand der Technik von Methoden, die den in S34I verwendeten ähnlich sind und in anderen Anwendungsbereichen verwendet werden, als Teil einer umfangreichen Literaturauswertung aufgelistet, um eine Vergleichsbasis für Mängel oder Verbesserungsvorschläge für die entwickelten Methoden zu schaffen. Im Folgenden werden detaillierte Informationen zu den einzelnen Abbauphasen und den geplanten Methoden gegeben.

Nachhaltiger Bergbau zielt darauf ab, weniger zerstörerische Praktiken im Abbau einzusetzen bzw. positive Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesellschaft zu berücksichtigen bzw. zu schaffen [7]. Die nicht-invasiven Erdbeobachtungssensoren unterstützen diesen Übergang, indem sie auf transparente Weise Daten zur Verbesserung des Betriebs bereitstellen [8], aber auch die Einhaltung der entsprechenden Vorschriften überwachen und sicherstellen [9]. So können Erdbeobachtungsmethoden beispielsweise erfolgreich bei der Überwachung der Umwelt und der biologischen Vielfalt [10], der Flächennutzungsplanung [11], der Risikobewertung (d. h. Gesundheits- und Sicherheitsrisiken) [12] und der Sicherstellung einer verantwortungsvollen Lieferkette helfen. Darüber hinaus kann die Einführung solcher Technologien organisatorische Reformen und Strategien unterstützen [13].

Umweltfragen sind im Bergbausektor aufgrund der Veränderung der Landschaft und der Umwelt von besonderer Bedeutung. Die Überwachung und Kontrolle des Betriebs auf der Grundlage von (gesetzlichen) Auflagen wird von den einzelnen Unternehmen und den Aufsichtsbehörden durchgeführt. Durch die Integration von Erdbeobachtungsinstrumenten können diese Prozesse effizienter und störungsfreier gestaltet werden. Die bereitgestellten Daten können von einer Vielzahl von Interessengruppen genutzt werden.

Die Kreislaufwirtschaft ist ein weiteres Thema, das derzeit von der EU mit dem Ziel vorangetrieben wird, die Nachfrage und damit die Gewinnung oder den Import von Rohstoffen zu verringern und zusätzlich die entstehenden Abfälle zu minimieren [14]. Der Bergbau als ein Sektor, der beträchtliche Mengen an Abfällen produziert, hat die Möglichkeit, einer der Pioniere bei der Anwendung von Kreislaufmodellen für Abfälle in der Produktionslinie zu sein [15]. Erdbeobachtungsanwendungen und konkret das S34I-Projekt fördern die Identifizierung möglicher Quellen für Sekundärmaterialien, indem sie Karten für potenzielle Sekundärrohstoffe bereitstellen.

Die öffentliche Meinung über den Bergbau und seine ökologischen und sozialen Auswirkungen ist heutzutage ein wichtiges Thema, insbesondere in der europäischen Rohstoffindustrie. Die Mobilisierung von Menschen und soziale Spannungen sind ein häufiges Hindernis für die Entwicklung neuer Bergbauprojekte und damit für die Stärkung der europäischen Rohstoffautonomie. Die soziale Akzeptanz durch die Gesellschaft zu erreichen, ist nicht immer eine leichte Aufgabe und erfordert von den Akteuren oft viel Zeit und Mühe, um Vertrauen aufzubauen [16]. Die Integration von Erdbeobachtungsdaten in die Gewinnungstätigkeit kann indirekt positive Auswirkungen auf die Gesellschaft haben, indem sie den Raum für ein offenes und transparentes Engagement zwischen den Beteiligten schafft. Einige Bergbaubetriebe nutzen bereits interaktive Plattformen, auf denen Erdbeobachtungsdaten zu verschiedenen Aspekten des Bergbaus und entsprechende Interpretationen öffentlich zugänglich sind. Solche Fälle scheinen bei den Beteiligten auf zunehmendes Interesse zu stoßen. Dennoch verhindern vorerst das frühe Stadium dieser Technologien und das Fehlen einer systematischen Vorgehensweise die Integration dieser Technologien im größeren Maßstab.

Die Ergebnisse der Untersuchung der öffentlichen Meinung in Österreich zeigen, dass die befragten Personen die wirtschaftliche Bedeutung des Bergbaus im Allgemeinen anerkennen, wobei diejenigen, die sich in der Nähe von Bergbaustandorten befinden, eine konsequentere Unterstützung zum Ausdruck bringen. Meinungsunterschiede zwischen Regionen mit und ohne Bergbau sind feststellbar, allerdings ohne signifikante Abweichungen. Bemerkenswert ist, dass die Bewohner von Nicht-Bergbaugebieten häufiger mit „weiß nicht“ antworten, was möglicherweise auf einen Mangel an Wissen über bestimmte Verfahren hindeutet. Beide Gruppen sind sich zwar einig, dass die Beteiligung der Öffentlichkeit an Bergbauaktivitäten wichtig ist, doch ein erheblicher Teil ist der Meinung, dass die Bürger nicht angemessen eingebunden sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die österreichische Bevölkerung die Bedeutung des Bergbausektors versteht, es ihr aber an Detailwissen fehlt. Darüber hinaus ist die Kenntnis über Erdbeobachtungsmethoden im Bergbau gering, und folglich ist die Umsetzung dieser Technologien für die Öffentlichkeit gleichgültig, da sie angibt, dass dadurch keine signifikante Veränderung der Wahrnehmung des Bergbaus erreicht würde.

Wissenschaftliche Erkenntnisse und neuartige Ansätze schaffen das Terrain für die Integration von Erdbeobachtungstechnologien in den Bergbau. Der Beitrag dieser Technologien verbessert die Bergbauindustrie nicht nur, indem er den Betrieb selbst voranbringt, sondern auch, indem er die Nachhaltigkeit des Betriebs unterstützt. Bergbaubetriebe beginnen, mit dem Einsatz dieser Technologien in ihren Anlagen zu experimentieren, und Technologieunternehmen und Forschungseinrichtungen schaffen automatisierte Dienste, die Informationen aus Erdbeobachtungsdaten auf effiziente Weise nutzen. Ein wichtiger Faktor ist das zunehmende Wissen und die Erfahrung, die mit den Erdbeobachtungsinstrumenten gewonnen werden, obwohl es immer noch an der Verbindung mit der Industrie und der Bereitstellung von Anwendungen mangelt, die verschiedenartige und große Mengen von Erdbeobachtungsdaten verarbeiten können und folglich aussagekräftige Ergebnisse für Bergbauunternehmen, Behörden oder andere betroffene Akteure liefern. Im Rahmen des Projekts S34I wird versucht, die Lücke zwischen der Industrie und der verfügbaren Technologie für die Anwendung von Erdbeobachtungsmethoden im Bergbau zu verkleinern, indem Prototypen von der kleinen wissenschaftlichen Ebene bis hin zum industriellen Maßstab entwickelt werden, die von den Akteuren im Bergbau und anderen Parteien übernommen werden können.