Dans un projet financé par le Fonds autrichien pour la science FWF, un groupe de recherche de Leoben a étudié comment les méthodes d'excavation de la roche dure pouvaient être améliorées en utilisant l'irradiation par micro-ondes afin de faciliter l'excavation mécanique classique et d'économiser de l'énergie.
L'excavation de roches dures comme le granit est un processus qui consomme beaucoup de temps et d'énergie, que ce soit dans l'exploitation minière ou dans le creusement de tunnels. Plusieurs étapes sont nécessaires. Tout d'abord, des fissures sont créées dans la roche compacte pour la fragmenter en morceaux individuels qui peuvent ensuite être excavés et enlevés. Dans l'histoire de l'exploitation minière, cette première étape a souvent été réalisée à l'aide du feu – car la chaleur fissure la roche. Un projet interdisciplinaire des Chaires de Mécanique, La physique et le génie minier de la « Montanuniversität Leoben » (Université des sciences minières de Leoben) ont étudié une version moderne de cette stratégie, en utilisant des micro-ondes pour chauffer la roche.
« Toutes les méthodes d'excavation conventionnelles ont un point commun :vous voulez d'abord casser la roche, c'est-à-dire créer plus de surfaces, mais seule une petite partie de l'énergie va vraiment dans cette fragmentation. La part du lion est perdue sous forme de chaleur, " dit le chercheur principal Thomas Antretter de l'Institut de mécanique de la Montanuniversität. Actuellement, la roche est soit dynamitée, soit fragmentée mécaniquement avec de la machinerie lourde, puis excavée. "C'est un énorme gaspillage d'énergie. Nous ne voulons pas remplacer complètement l'excavation mécanique, ce serait impossible. Mais nous pouvons le rendre plus facile, " dit Antretter.
25 fois plus puissant qu'un four à micro-ondes
Le fait que les micro-ondes puissent être utilisés pour réchauffer les aliments est bien connu. C'est moins évident, cependant, que les micro-ondes peuvent également être utilisées pour chauffer la roche. "Vous pourriez en fait mettre un morceau de roche dans un four à micro-ondes et il deviendrait chaud, " explique Antretter. " Afin de créer de véritables fissures, cependant, vous avez besoin de beaucoup plus d'énergie." Pour les tests pratiques, ils ont utilisé une unité à micro-ondes d'une puissance de 25 kW, ce qui représente environ 25 fois l'énergie produite par un four à micro-ondes. Appliqué au moyen d'un appareil qui ressemble à un tuyau, les micro-ondes sont canalisées à travers ce conducteur creux.
Le groupe d'Antretter était responsable des simulations informatiques. "Les simulations étaient assez complètes, car nous devions d'abord calculer les processus électromagnétiques, l'irradiation et la propagation des ondes électromagnétiques, et ensuite nous devions conclure de ces calculs comment le granit allait chauffer."
Antretter s'intéressait particulièrement au granit en raison des difficultés qu'il entraîne à l'excavation en raison de sa dureté. Le granit est constitué de feldspath, quartz et mica. "Ces minéraux ont des propriétés différentes et chauffent à des degrés différents. En dehors de cela, ils diffèrent également par leurs propriétés électriques, ce qui signifie qu'ils absorbent les micro-ondes différemment. » Cela a également dû être calculé avant les expériences.
"Les résultats de dissipation de puissance ont ensuite été utilisés pour calculer les aspects mécaniques, " explique Antretter. " Pour ce faire, nous devions calculer comment la température va se développer dans la roche au fil du temps. Basé sur cela, on peut calculer les déformations et contraintes mécaniques, à nouveau en fonction du temps. » Les résultats ont été comparés aux niveaux de contrainte critique pour les composants individuels de la roche afin de savoir quand la roche se briserait et produirait les fissures souhaitées.
Des impulsions courtes plus efficaces
L'équipe de Thomas Antretter a simulé un court, impulsions intenses d'une durée d'un dixième de seconde seulement et les a comparées à des impulsions plus longues d'intensité plus faible qui ont duré 100 secondes. La production d'énergie était la même dans les deux cas. « Dans les simulations, les impulsions courtes ont montré un peu plus d'effet avec la même quantité d'énergie, " rapporte Antretter. En parallèle, des tests ont été effectués à la Chaire de Génie des Mines voisine, où les chercheurs ont accès à une unité micro-ondes. "Là, ils ont en fait irradié des échantillons de roche dans différentes conditions et pendant différentes durées. Il s'est avéré que vous pouvez créer des motifs de fissures et qu'ils seront bien corrélés avec les résultats de notre simulation."
L'idée d'utiliser des micro-ondes pour briser la roche existe depuis un certain temps, se souvient le chercheur principal Antretter. "Mais on n'a jamais pu quantifier l'effet avec précision, les tests ont été effectués sur une base d'essais et d'erreurs. Et ils l'ont encore oublié."
Il y a un certain nombre de questions ouvertes concernant la mise en œuvre dans la pratique, comme les problèmes de sécurité incendie. "Mais d'un point de vue purement technique, rien n'empêche la mise en œuvre, " dit Antretter.
