Das Ziel besteht jeweils darin, das Gestein zu schwächen oder zu zerstören. Führt die Bohrung durch sehr hartes Gestein wie Granit und Quarzit nutzen sich die einzelnen Komponenten der Bohranlage sehr schnell ab. Hier setzt das Forschungsvorhaben LaserJetDrilling an, kurz für "Entwicklung einer wasserstrahlgeführten Laserbohrtechnologie zur effizienten Erschließung geothermischer Ressourcen". Der zentrale Ansatz ist es, erstmalig einen Hochleistungs-Laser-Wasserstrahl mit einem mechanischen Bohrprozess zu koppeln. Laserstrahl führt zu Rissen im Gestein Üblicherweise wird das Gestein mechanisch gebrochen. Sensoren im Bohrkopf messen das Drehmoment und die Antriebskraft des Bohrers. Dadurch kann der Bohrprozess an die Härte des Materials angepasst werden. Bei sehr hartem Stein wie Granit und Quarzit geraten die mechanischen Bohranlagen an die Grenzen ihrer Belastbarkeit. Bei dem Verfahren LaserJetDrilling schädigt zunächst ein energiereicher Laserstrahl das Gestein. Der Zusammenhalt zwischen den Kristallen im Stein wird gelockert und es kommt zu Rissen.
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So wird die Strahlung sicher zum Bohrkopf geleitet. Teil weiterer Untersuchungen waren auch die Wechselwirkungen von Hochleistungs-Laserstrahlen mit einem laminaren Wasserstrahl. Wasser absorbiert die Strahlen und erwärmt sich. Wird der Wasserstrahl zu heiß, kann dieser verdampfen. Damit das nicht passiert, haben die Forschenden die notwendige Wassermenge des Strahls ermittelt. Anschließend haben sie erste Prototypen eines Laserkopfs und des zugehörigen Bohrkopfs entwickelt und diese Komponenten in einen Bohrstrang integriert. Erster Versuchsstand mit Hochleistungs-Laser Getestet haben die Wissenschaftler den Hochleistungs-Laserstrahl an einem eigens dafür konzipierten und geschaffenen Laserversuchsstand. Dieser befindet sich am Fraunhofer IPT, das die notwendige Infrastruktur für die Laserquelle sowie Kühlleistung und Elektrik bereitstellt. Der Laserteststand ermöglicht Versuche mit 30. 000 Watt optischer Leistung. Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass die mit Laser bestrahlten Gesteinsproben circa 40 bis 60 Prozent ihrer Festigkeit verlieren.
Für (vielleicht ausbleibendes, Anm. ) russisches Gas brauche Deutschland möglichst breite Ersatzkapazitäten. "Wir müssen ergebnisoffen prüfen, was geht und sinnvoll ist. Verbote könnte man aufheben", so Söder. Derzeit ist Fracking in unserem Nachbarland aufgrund der mit der Fördermethode einhergehenden Umweltschäden bei der Gewinnung von sogenanntem Schiefergas verboten. Eine Fracking-Anlage im US-Bundesstaat Pennsylvania (Bild: EPA /Jim Lo Scalzo/) Schiefergas ist natürlich vorkommendes Erdgas, das in porösen Tonsteinen entsteht, in diesen gespeichert wird und schwer zugänglich ist. Der Begriff rührt von der umgangssprachlichen Verwendung des Wortes Schiefer für Tonsteine her. Die Gewinnung von Schiefergas ist technologisch ziemlich anspruchsvoll, wird aber bei hohen Öl- und Gaspreisen zunehmend rentabler. Gewinnung ist technisch aufwendig Da Schiefer relativ undurchlässig ist, dringt das Gas nicht einfach an die Erdoberfläche, wenn diese Gesteinsschichten angebohrt werden. Um das im Tongestein eingeschlossene Schiefergas zu gewinnen, wird das Gestein angebohrt und anschließend mit hohem Druck Millionen Liter Wasser, das mit Sand und bis zu 600 verschiedenen, teils sehr giftigen Chemikalien (darunter sogenannte Biozide) versetzt ist, in die Lagerstätte gepumpt.
Die Versuchsergebnisse am neuen Laserteststand des Fraunhofer IPT zeigen, dass erhitzte Hartgesteine, wie beispielsweise Granit, deutlich an Härte verlieren. Der Bohrkopf verfügt über Sensoren, die die Gesteinseigenschaften direkt im Bohrloch messen. So kann der Bohrprozess unmittelbar an den geänderten Härtegrad angepasst werden. Starker Laser Einer der stärksten Laser wird in der Geothermie genutzt. Er hat eine Leistung von 30. 000 Watt. Weniger als ein Zehntel dieser Leistung, circa 2. 000 bis 3. 000 Watt, haben Laserstrahlen, die in der Industrie genutzt werden. Mit diesen Lasern wird Stahl geschweißt und verflüssigt. Bei Geothermie-Bohrungen lockern die Laserstrahlen die Kristalle im Stein. Dadurch entstehen Risse im Gestein. Das poröse Material kann anschließend einfacher und schneller mit einem mechanischen Bohrer gebrochen werden. Forschungsthema Geothermie © PtJ - Meike Bierther Bei EnArgus, dem zentralen Informationssystem zur Energieforschungsförderung, befindet sich unter anderem eine Datenbank mit sämtlichen Energieforschungsprojekten – darunter auch dieses Projekt.
Dadurch lässt sich das mechanische Bohrwerkzeug schneller durch das Gestein treiben. Der Laserstrahl soll abhängig von der Härte des Gesteins eingesetzt werden. Das neue Verfahren beschleunigt die Arbeiten und erleichtert Tiefbohrungen bei neuen Geothermieanlagen. © Fraunhofer IPT - Florian Schmidt Der Bohrkopf mit integriertem Laserkopf befindet sich am Ende des Hybridbohrstrangs. Der austretende Laser-Wasserstrahl ist deutlich sichtbar. Neuer Laserkopf ergänzt den Bohrkopf Die Projektpartner haben den mechanischen Bohrer um einen Hochleistungslaser ergänzt. Dessen Energie wird mittels eines Wasserstrahls auf das Gestein geführt. Um den Laserstrahl zu fokussieren, haben sie einen Laserkopf, eine Strahlenquelle und einen Faser-Faser-Drehkoppler entwickelt. Die Herausforderung dabei: der Laserstrahl muss von der nicht rotierenden Laserquelle über eine sogenannte Lichtleitfaser aus Quarzglas auf die Faser des rotierenden Bohrstrangs übertragen werden. Dies geschieht mit dem neu entwickelten Faser-Faser-Drehkoppler, welcher die Fasern entkoppelt und den Laserstrahl von der nicht rotierenden auf die rotierende Faser überträgt.
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