Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) hat gemeinsam mit Partnern im Forschungsprojekt LaserJetDrilling ein Verfahren zum laserunterstützten mechanischen Bohren in Hartgestein entwickelt. Hartgesteine lassen sich nur mit geringen Vortriebsraten bohren und verschleißen die Bohrkrone schnell.
Das führt zu hohen Kosten, die Investoren oft davon abhalten, Geothermieprojekte tatsächlich umzusetzen, schreibt das Fraunhofer IPT in einer Mitteilung.
Bei dem neu entwickelten Verfahren haben die Forscher den mechanischen Bohrer um einen Hochleistungslaser ergänzt, dessen Energie anhand eines Wasserstrahls auf das Gestein geführt wird. So gelinge es, das Material unmittelbar vor dem Bohrprozess zu schwächen und den mechanischen Abtrag mit dem Bohrwerkzeug zu erleichtern. Der Wasserstrahl führe dabei nicht nur den Laserstrahl bis auf das Gestein, sondern verhindere gleichzeitig auch Verunreinigungen und Beschädigungen der empfindlichen Laseroptiken.
Um die Vortriebsraten der Bohrkrone zu steigern und dessen Schneide zu schonen, sei es erforderlich, zusätzliche Energie in das Bohrloch einzubringen. Da bei zunehmender Bohrtiefe unterschiedliche und oft unvorhersehbare Materialen bearbeitet werden müssten, eigne sich der Laser als Werkzeug aufgrund der flexiblen Anpassung der Leistung besonders gut.
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Prüfstand erreicht Lichtleistung bis zu 30 kW
Die Aachener Forscher haben in der Maschinen- und Werkzeughalle des Fraunhofer IPT einen Prüfstand mit einem Laser und einem Schneidwerkzeug aufgebaut, der eine Lichtleistung bis zu 30 kW erreicht, heißt es. In Laborversuchen testeten die Projektpartner den Prozess und trafen Vorbereitungen für seine Übertragung auf den realen Anwendungsfall: Die Hartgesteine Sandstein, Granit und Quarzit mit einer Festigkeit von mehr als 150 Megapascal wurden bis zu 80 Prozent durch den Laser geschwächt.
Im nächsten Schritt setzten die Ingenieure den Laser dann am Bohrgerät in einem eigens entwickelten Bohrstrang ein und erprobten das neue Werkzeug erfolgreich gemeinsam mit dem Internationalen Geothermie Zentrum Bochum im Feldversuch unter realistischen Bedingungen.
Forscher wollen die Laserleistung künftig noch besser verteilen
In zukünftigen Forschungsprojekten möchten die Partner die Laserleistung noch besser verteilen und das hybride Werkzeug um digitale Sensoren ergänzen, um Feedback aus dem Bohrprozess zu erhalten und so besser auf Änderungen entlang des Bohrpfads reagieren zu können.
Zu dem Projektkonsortium gehören neben Fraunhofer IPT auch das Internationale Geothermie Zentrum Bochum (GZB), Herrenknecht Vertical GmbH, IPG Laser GmbH, Kamat Pumpen sowie Synova als assoziierter Partner. Das Forschungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert und vom Projektträger Jülich betreut (Förderkennzeichen: 0325784A).