In un progetto finanziato dall'Austrian Science Fund FWF, un gruppo di ricerca di Leoben ha studiato come i metodi di scavo per la roccia dura potrebbero essere migliorati utilizzando l'irradiazione a microonde in modo da rendere più facile lo scavo meccanico classico e risparmiare energia.
Lo scavo di rocce dure come il granito è un processo che richiede molto tempo ed energia, che si tratti di estrazione mineraria o di tunneling. Sono necessari diversi passaggi. Prima di tutto, si creano crepe nella roccia compatta per farla frammentare in singoli pezzi che possono essere poi scavati e rimossi. Nella storia delle miniere, questo primo passo veniva spesso effettuato con l'aiuto del fuoco, perché il calore spacca la roccia. Un progetto interdisciplinare delle Cattedre di Meccanica, La fisica e l'ingegneria mineraria presso la "Montanuniversität Leoben" (Leoben University of Mining Sciences) hanno studiato una versione moderna di tale strategia, usando le microonde per riscaldare la roccia.
"Tutti i metodi di scavo convenzionali hanno una cosa in comune:prima si vuole rompere la roccia, cioè creare più superfici, ma solo una piccola parte dell'energia va davvero in quella frammentazione. La parte del leone si perde sotto forma di calore, ", afferma il ricercatore principale Thomas Antretter dell'Istituto di meccanica della Montanuniversität. Attualmente, la roccia viene fatta saltare o frammentata meccanicamente con macchinari pesanti e quindi scavata. "Questo è un enorme spreco di energia. Non vogliamo sostituire completamente lo scavo meccanico, sarebbe impossibile. Ma possiamo renderlo più facile, "dice Antretter.
25 volte più forte di un forno a microonde
È risaputo che le microonde possono essere utilizzate per riscaldare il cibo. è meno ovvio, però, che le microonde possono essere utilizzate anche per riscaldare la roccia. "Potresti effettivamente mettere un pezzo di roccia in un forno a microonde e diventerebbe caldo, " spiega Antretter. "Per creare vere crepe, però, hai bisogno di molta più energia." Per le prove pratiche, hanno usato un'unità a microonde con una potenza di 25 kW, che è circa 25 volte l'energia prodotta da un forno a microonde. Applicato tramite un dispositivo che assomiglia a un tubo flessibile, le microonde vengono incanalate attraverso questo conduttore cavo.
Il gruppo di Antretter era responsabile delle simulazioni al computer. "Le simulazioni erano abbastanza complete, perché prima abbiamo dovuto calcolare i processi elettromagnetici, l'irradiazione e la propagazione delle onde elettromagnetiche, e poi abbiamo dovuto concludere da questi calcoli come il granito si sarebbe riscaldato."
Antretter era particolarmente interessato al granito per le difficoltà che comporta nello scavo a causa della sua durezza. Il granito è costituito da feldspato, quarzo e mica. "Questi minerali hanno proprietà diverse e si riscaldano a diversi gradi. A parte questo, differiscono anche nelle loro proprietà elettriche, il che significa che assorbono le microonde in modo diverso." Anche questo doveva essere calcolato prima degli esperimenti.
"I risultati per la dissipazione di potenza sono stati quindi utilizzati per calcolare gli aspetti meccanici, " spiega Antretter. "Per fare ciò, dovevamo calcolare come si svilupperà la temperatura nella roccia nel tempo. Sulla base di ciò, possiamo calcolare le deformazioni e le sollecitazioni meccaniche, di nuovo in funzione del tempo." I risultati sono stati confrontati con i livelli di stress critici per i singoli componenti della roccia per scoprire quando la roccia si sarebbe rotta e avrebbe prodotto le crepe desiderate.
Impulsi brevi più efficaci
Il team di Thomas Antretter ha simulato brevi, impulsi intensi della durata di solo un decimo di secondo e confrontati con impulsi più lunghi di intensità inferiore che sono durati 100 secondi. La produzione di energia è stata la stessa in entrambi i casi. "Nelle simulazioni, gli impulsi brevi hanno mostrato un po' più di effetto con la stessa quantità di energia, " riferisce Antretter. Parallelamente, i test sono stati effettuati presso la vicina cattedra di ingegneria mineraria, dove i ricercatori hanno accesso a un'unità a microonde. "Là, hanno effettivamente irradiato campioni di roccia in condizioni diverse e per periodi di tempo diversi. Si è scoperto che è possibile creare schemi di crepe e che si correlano bene con i risultati della nostra simulazione".
L'idea di usare le microonde per rompere la roccia è in circolazione da un po' di tempo, ricorda il ricercatore principale Antretter. "Ma non si potrebbe mai quantificare l'effetto con precisione, i test sono stati eseguiti per tentativi ed errori. E così se ne sono dimenticati di nuovo».
Ci sono una serie di questioni aperte riguardanti l'attuazione pratica, come problemi di sicurezza antincendio. "Ma da un punto di vista puramente tecnico, non c'è nulla che ne impedisca l'attuazione, "dice Antretter.
