Bergbau: Die Unterwanderung

Alexander ist nicht besonders intelligent. Ständig muss Claudia Buhl hinter ihm herlaufen, damit er nicht gegen ein Hindernis knallt. "Wir müssen immer in der Nähe bleiben", sagt Buhl, und es klingt, als spräche sie von einem kleinen Kind. Dabei kann Alexander andererseits schon ziemlich viel. Jedenfalls im Vergleich zu anderen Bergbaurobotern. Mithilfe von Laserscannern bewegt er sich auf vier Rädern selbstständig durch die engen Gänge der "Reichen Zeche" im sächsischen Freiberg, 147 Meter unter der Erde.

Claudia Buhl, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Informatik der TU Bergakademie Freiberg, kann auf einem Tablet nachverfolgen, wie er dabei eine Karte erstellt: Der Gang ist zu erkennen, ein halber Kreisbogen mit einem Punkt in der Mitte markiert den Standort des Roboters. 20 Meter weit reicht der Laser.

In der Reichen Zeche hackten schon vor mehr 600 Jahren Bergmänner Silber und andere Rohstoffe aus dem Erzgebirge. Als im 20. Jahrhundert Maschinen den Bergbau veränderten, war in Freiberg schon lange Schicht am Schacht. Heute dient er als Lehr- und Forschungsbergwerk. Die Freiberger Informatiker arbeiten hier an der Zukunft des Bergbaus.

Ihren Roboter haben sie nach dem berühmtestem Studenten der Bergakademie benannt, Alexander von Humboldt. Mit dem Gerät wollen sie den nächsten Entwicklungssprung im Bergbau vorbereiten: Nach Mechanisierung kommt Autonomisierung, manche sagen "Robolution". Roboter sollen an gefährlichen, lauten und schmutzigen Orten effizienter arbeiten als Bergleute, Menschen retten, Umweltbedingungen überwachen und bislang unerreichte Rohstoffe ausgraben.

Eines Tages könnte ein Bergwerk komplett aus der Ferne gesteuert werden. Das spart nicht nur den Lohn für die menschlichen Arbeitskräfte, es erhöht auch die Effizienz der Förderung. Unter Tage werden technische Kapazitäten oft nur zu 25 Prozent ausgelastet, sagte Henryk Karaś, Experte vom polnischen Bergbauunternehmen KGHM, bei einer Konferenz der European Mineral Resources Confederation im Mai 2015. Pausen und Schichtwechsel kosten Zeit. Außerdem ließe sich an der Bewetterung, also der Frischluftversorgung, viel sparen: Sie macht nach Angaben der TU Freiberg mindestens 25 Prozent der Abbaukosten aus. Roboter aber brauchen keinen Sauerstoff.

Schon heute werden Roboter unter Tage eingesetzt, allerdings meist in modernen, gut ausgebauten Bergwerken wie beim Salzabbau. Für enge Erzgruben wie in Freiberg braucht es dagegen kleine Spezialroboter, und die werden erst seit Kurzem entwickelt. Technische Fortschritte machen sie zunehmend praxistauglich, zum Beispiel bei den Batterien: Roboter Alexander muss noch nach einer Stunde an die Steckdose, doch sein Nachfolgemodell Julius ist bereits mit einem wechselbaren Akku ausgestattet. Kleinere und preiswertere Bauteile wie etwa hochpräzise Sensoren bringen das Feld weiter voran.

Alexander ist eine Spezialanfertigung der kanadischen Firma Clearpath Robotics. Er ist nur rund einen Meter lang, 70 Zentimeter breit und wiegt 50 Kilogramm, sodass er durch die Gänge und in den Förderkorb passt. Etwa alle zwei Wochen fahren ihn die Forscher mit einem Lieferwagen von der Uni zum Bergwerk. Unten muss er Temperaturen von zehn bis zwölf Grad und eine Luftfeuchte von 90 bis 95 Prozent aushalten. Nicht nur für die Freiberger Informatiker, die sonst eher vor dem Monitor sitzen, als mit Helm und Grubenlampe herumzustapfen, ist die Zeche unbekanntes Terrain. Sondern auch für den Roboter. "Wir probieren regelmäßig über Tage Dinge aus, um dann festzustellen, dass sie unter Tage nicht funktionieren", sagt Bernhard Jung, Professor für virtuelle Realität und Multimedia.

Das Hauptproblem: Der Boden ist uneben und matschig, und mittendrin liegen Schienen. So kippelt der Roboter und mit ihm die Scan-Ebene. Dann kann es passieren, dass er einfach stehen bleibt. Langfristig soll der Laser nur noch dazu dienen, Hindernisse zu erkennen. Zur eigentlichen Orientierung setzen die Informatiker künftig auf Stereokameras, die ein präzises 3D-Modell des Bergwerks erstellen. Eines Tages soll Alexander so ganz allein unbekanntes Terrain erkunden – und nebenher Strahlung, Temperatur, Luftdruck und Gaskonzentrationen kartieren.

Alexanders großer Bruder Julius ist auch da. Er ist bei einer ähnlichen Grundfläche deutlich höher und wiegt fast dreimal so viel, nämlich 140 Kilogramm. Benannt ist er nach Julius Weisbach, der in Freiberg im 19. Jahrhundert die Markscheidekunst revolutionierte, also die Vermessung der Bergwerke. Wie Alexander kann auch Julius 3D-Bilder aufzeichnen. Zusätzlich hat er einen Greifarm mit drei Fingern. Damit soll er einen Scanner halten, um per Röntgenfluoreszenzanalyse Gesteine zu bestimmen. Außerdem soll er WLAN-Router platzieren, damit er und Alexander sich daran orientieren können.

Im Tagebau ist das einfacher. Dort können autonome Fahrzeuge auch GPS nutzen. Entsprechend weit ist die Automatisierung über Tage gediehen. Der britische Bergbaukonzern Rio Tinto, der weltweit unter anderem Aluminium, Kupfer und Eisenerz fördert, betreibt eine "Mine of the Future" im westaustralischen Pilbara, einer dünn besiedelten Region. Dort kurven 71 autonome Fahrzeuge ganz allein herum. Eine autonome Fördereisenbahn geht dieses Jahr in Betrieb. Alles wird aus 1300 Kilometern Entfernung gesteuert. Insgesamt funktionieren nach Angaben des Unternehmens 15 Gruben und 31 Tagebaue autonom. Damit spart Rio Tinto nicht nur Arbeitskräfte, erklärt Sprecher David Outhwaite: "Schichtwechsel oder Pausen fallen weg, wir beobachten eine um 15 Prozent höhere Auslastung bei einem autonomen Fahrzeug im Vergleich zu einem herkömmlichen Fahrzeug mit Fahrer."

Auch unter Tage ist Australien ein Vorreiter – zum Beispiel beim sogenannten Strebbau. Bei dieser Methode werden bis zu fünf Kilometer lange Steinkohleflöze abgebaut, indem Schrämmaschinen zunächst Schlitze hineintreiben – mit entsprechender Einsturz- und Explosionsgefahr. Damit niemand in dieser gefährlichen Umgebung die Maschinen steuern muss, setzen mittlerweile mindestens 60 Prozent der australischen Kohlegruben autonome Schrämmaschinen ein, hat das Forschungsinstitut CSIRO 2015 in einer Studie herausgefunden. Dadurch werde die Umwelt geschont, da weniger nicht nutzbares Gestein abgebaut werde. Außerdem gebe es weniger Unfälle. Die Produktivität sei langfristig um mindestens fünf Prozent gestiegen, in der Spitze sogar um zehn Prozent.

Robotertechnik kann also den Umsatz steigern. Doch zuvor muss investiert werden. Lohnt sich das? "Das ist eine Frage des Preises", sagt Oliver Langefeld, Professor am Institut für Bergbau der TU Clausthal im Harz. Wo Lohn und Rohstoffpreise hoch seien, könnten sich die Investitionen auszahlen. "In Billiglohnländern wie China wird es sich oft nicht lohnen."

Die Unterschiede sind weltweit immer noch groß, wie Zahlen der International Average Salary Income Database zeigen. Berücksichtigt man die unterschiedliche Kaufkraft der jeweiligen Länder, so verdient ein chinesischer Bergmann knapp 600 Euro netto im Monat, ein deutscher dagegen gute 2000 und ein australischer sogar 3600 Euro. Auch in die Sicherheit wird unterschiedlich viel investiert, gerade in Schwellenländern geschehen immer wieder Unglücke in veralteten Gruben. Doch Langefeld hält es für sinnvoller, dort zunächst in den konventionellen Arbeitsschutz zu investieren, als gleich über Roboter nachzudenken.

Europäische Politiker verknüpfen denn auch eher die Hoffnung auf Rohstoffunabhängigkeit mit den autonomen Helfern. Zurzeit muss die Europäische Union nach eigenen Angaben jedes Jahr 200 Millionen Tonnen Mineralien importieren. Dabei lägen in einer Tiefe von 500 bis 1000 Metern noch Bodenschätze im Wert von etwa hundert Milliarden Euro, zum Großteil in stillgelegten Bergwerken oder kleinen Lagerstätten, wo sich der Abbau mit herkömmlicher Technik nicht lohnt. Auch im Erzgebirge gibt es immer wieder Pläne, seltene Erden zu fördern. Viele europäische Ressourcen liegen in gefluteten Altbergwerken oder seichten Gewässern. Deshalb fördert die EU bis Mitte 2018 das Projekt Vamos (Viable Alternative Mine Operating System) mit 12,6 Millionen Euro. Ein ferngesteuerter Spezialbagger soll Rohstoffe unter Wasser finden und abbauen. Der Prototyp ist fertig, zurzeit suchen die Wissenschaftlern nach vier geeigneten Testorten in Europa.

Die Informatiker in Freiberg haben noch ein anderes Ziel: Wenn historische Schächte wegen Einsturzgefahr dichtgemacht werden müssen, möchten sie vorher einen Roboter mit Kamera losschicken. "So bleiben verschlossene Bergbaustätten wenigstens virtuell zugänglich", schrieben sie 2015 in einem Konferenzbeitrag. In einem Simulationsraum kann man schon jetzt virtuell durch die Reiche Zeche wandeln. 24 Full-HD-Projektoren werfen Alexanders 3D-Bilder in einer Auflösung von 50 Megapixeln auf drei Leinwände vorn, links und rechts. In der Mitte steht Informatiker Marvin Ferber, er trägt eine klobige Spezialbrille. Wenn er sich bewegt, nehmen Kameras im Raum die Brille wahr und errechnen in Echtzeit, wohin Ferber blickt.

Die Hochschule im nahegelegenen Mittweida entwickelt daraus gerade ein "Serious Game" – ein Computerspiel, mit dem Rettungskräfte gefährliche Situationen unter Tage trainieren können. Dafür muss Alexander allerdings noch mehr Bilder machen. Die Förderung läuft noch bis Jahresende, bis jetzt hat der Freistaat Sachsen rund 1,4 Millionen Euro in die Freiberger Roboter investiert. Ob sie verlängert wird, ist noch offen.

(bsc)