I ett projekt finansierat av den österrikiska vetenskapsfonden FWF, en forskargrupp från Leoben undersökte hur utgrävningsmetoder för hårt berg kan förbättras genom att använda mikrovågsbestrålning för att underlätta klassisk mekanisk utgrävning och spara energi.
Utgrävning av hårt berg som granit är en process som kräver mycket tid och energi, oavsett om det gäller gruvdrift eller tunnel. Flera steg är nödvändiga. För det första, sprickor skapas i kompakt berg för att få det att splittras i enskilda bitar som sedan kan grävas ut och avlägsnas. I gruvdriftens historia, Detta första steg genomfördes ofta med hjälp av eld – eftersom värmen spricker berget. Ett tvärvetenskapligt projekt av Chairs for Mechanics, Fysik och gruvteknik vid 'Montanuniversität Leoben' (Leoben University of Mining Sciences) undersökte en modern version av den strategin, använda mikrovågor för att värma berget.
"Alla konventionella schaktningsmetoder har en sak gemensamt:du vill först bryta stenen, d.v.s. skapa fler ytor, men bara en liten del av energin går verkligen in i den fragmenteringen. Lejonparten går förlorad i form av värme, " säger chefsutredaren Thomas Antretter från Institute of Mechanics vid Montanuniversität. För närvarande, berget antingen sprängs eller splittras mekaniskt med tunga maskiner och sedan schaktas ut. "Det här är ett enormt slöseri med energi. Vi vill inte ersätta mekanisk schaktning helt, det skulle vara omöjligt. Men vi kan göra det lättare, säger Antretter.
25 gånger starkare än en mikrovågsugn
Att mikrovågor kan användas för att värma upp mat är välkänt. Det är mindre uppenbart, dock, att mikrovågor även kan användas för att värma upp sten. "Du kan faktiskt lägga en stenbit i en mikrovågsugn och den skulle bli varm, "förklarar Antretter." För att skapa riktiga sprickor, dock, du behöver mycket mer energi." För övningstesten, de använde en mikrovågsenhet med en effekt på 25 kW, vilket är cirka 25 gånger den energi som produceras av en mikrovågsugn. Appliceras med hjälp av en anordning som ser ut som en slang, mikrovågorna kanaliseras genom denna ihåliga ledare.
Antretters grupp ansvarade för datorsimuleringarna. "Simuleringarna var ganska omfattande, eftersom vi först var tvungna att beräkna de elektromagnetiska processerna, bestrålning och utbredning av elektromagnetiska vågor, och sedan var vi tvungna att från dessa beräkningar dra slutsatsen hur graniten skulle värmas upp."
Antretter var särskilt intresserad av granit på grund av de svårigheter den medför vid schaktning på grund av dess hårdhet. Granit består av fältspat, kvarts och glimmer. "Dessa mineraler har olika egenskaper och värms upp i olika grad. Bortsett från det, de skiljer sig också åt i sina elektriska egenskaper, vilket betyder att de absorberar mikrovågor på olika sätt." Detta måste också beräknas innan experimenten.
"Resultaten för effektförlust användes sedan för att beräkna de mekaniska aspekterna, " förklarar Antretter. "För att göra det, vi behövde beräkna hur temperaturen kommer att utvecklas i berget över tiden. Baserat på det, vi kan beräkna de mekaniska töjningarna och spänningarna, igen som en funktion av tiden." Resultaten jämfördes med de kritiska spänningsnivåerna för de enskilda komponenterna i berget för att ta reda på när berget skulle gå sönder och ge önskade sprickor.
Korta pulser mer effektiva
Thomas Antretters team simulerade kort, intensiva pulser som bara varade en tiondel av en sekund och jämförde dem med längre pulser med lägre intensitet som varade 100 sekunder. Energiproduktionen var densamma i båda fallen. "I simuleringarna de korta pulserna visade lite mer effekt med samma mängd energi, " rapporterar Antretter. Parallellt tester gjordes hos den närliggande ordföranden för gruvteknik, där forskarna har tillgång till en mikrovågsugn. "Där, de bestrålade faktiskt stenprover under olika förhållanden och under olika lång tid. Det visade sig att du kan skapa sprickmönster och att de kommer att korrelera bra med resultaten av vår simulering."
Tanken på att använda mikrovågor för att bryta upp sten har funnits ett tag, påminner chefsutredaren Antretter. "Men man skulle aldrig kunna kvantifiera effekten exakt, testerna gjordes på en trial and error basis. Och så glömde de det igen."
Det finns ett antal öppna frågor om implementering i praktiken, som brandsäkerhetsfrågor. "Men ur en rent teknisk synvinkel, det finns inget som hindrar genomförandet, säger Antretter.
