Effizienzsteigerung in der Rohstoffgewinnung Strahlende Kabel und 5G

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5G ermöglicht eine hochautomatisierte Produktion in untertägigen Bergwerken – mit Hilfe von strahlenden Kabeln. Das sind die Ergebnisse des Forschungsprojekts 5G.Namico von der RWTH Aachen und dem Kabelwerk Eupen.

Die wachsende Weltbevölkerung, der stetig steigende globale Wohlstand sowie die Entwicklung und Implementierung von erneuerbaren Energietechnologien haben tiefgreifende und komplexe Auswirkungen auf die Verfügbarkeit und Nutzung von Rohstoffen. Obwohl sekundäre Rohstoffkreisläufe ausgebaut werden, reicht dies nicht aus, um den notwendigen Rohstoffbedarf zu decken. Die begrenzte Verfügbarkeit von Lagerstätten und die gesellschaftliche Forderung nach mehr Transparenz und Nachhaltigkeit machen eine Effizienzsteigerung in der Rohstoffgewinnung unabdingbar.

5G als Schlüsseltechnologie zur Effizienzsteigerung

Eine Möglichkeit der Effizienzsteigerung ist die Digitalisierung von Gewinnungs- und Unterstützungsprozessen, was von einer Vielzahl neuer technischer Herausforderungen begleitet wird. Die digitale Transformation stellt somit eine der zentralen Herausforderungen für die heutige Bergbauindustrie dar. Die Integration leistungsfähiger Datenübertragungstechnologie ist ein wesentlicher Baustein und gleichzeitig Voraussetzung für die ganzheitliche digitale Transformation der Industrie. Der Datenübertragungsstandard 5G gilt hierbei als Schlüsseltechnologie und ermöglicht eine leistungsfähige, kabellose Echtzeitkommunikation der verschiedenen Teilnehmer im Produktionsprozess.

Die fünfte Generation des Mobilfunks, 5G, wurde explizit auf die Anforderungen der Industrie zugeschnitten und führte in verschiedenen Anwendungsbereichen zu erheblichen Fortschritten bei vernetzten und adaptiven Systemen. Insbesondere in der industriellen Produktion konnte bereits ein breites Wissen über die Nutzung von 5G aufgebaut werden. Im Gegensatz dazu wurden die Leistung und das Potenzial von 5G-Netzen in Branchen mit anspruchsvollen und herausfordernden Betriebsbedingungen, wie dem untertägigen Bergbau, bisher nur begrenzt untersucht.

Forschungsprojekt evaluiert 5G

Das Forschungsprojekt 5G.Namico versucht, diese Lücke durch die Installation eines untertägigen 5G Stand Alone (5G SA) Netzes im Salzbergwerk Sondershausen zu schliessen. Ziel des Projektes ist die Evaluation von 5G sowie die Untersuchung des Einflusses untertägiger Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Streckengeometrien, Staub oder relativer Luftfeuchtigkeit. Die Untersuchungen betrachten verschiedene Antennentechnologien, sowohl konventionelle Multiple-Input-Multiple-Output (MiMo)-Richtantennen als auch alternative Ansätze in Form unterschiedlicher Konfigurationen strahlender Kabel.

Strahlende Kabel sind eine traditionelle Lösung, um per Funk in geschlossenen Räumen homogen und zuverlässig zu kommunizieren. Diese Kabel basieren auf der Konstruktion eines Koaxialkabels, versehen mit seitlichen Schlitzen, die das Radiosignal abstrahlen. Sie versorgen auf diese Weise Strecken entlang ihrer Länge mit einem berechenbaren, homogenen Funkfeld. Das in diesem Projekt eingesetzte strahlende Kabel Eucary RMC114-G-HLFR wurde vom Kabelwerk Eupen dediziert für das Frequenzband von 5G entwickelt.

Um hohe Datenraten zu erreichen, die beispielsweise für die echtzeitnahe Übertragung von 3D-Scans des Grubengebäudes benötigt werden, muss 5G mit der MiMo Funktechnik eingesetzt werden. MiMo nutzt eine Mehrwege-Übertragung über mehrere Antennen gleichzeitig. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird untersucht, ob strahlende Kabel ebenfalls hohe Datenraten mit MiMo erzielen können und gleichzeitig eine zuverlässige Übertragung gewährleisten - im Vergleich zu dedizierten MiMo-Richtantennen.

Strahlende Kabel sind homogener und gleichmässiger

Erste Ergebnisse zeigen, dass konventionelle MiMo-Richtantennen in untertägigen Strecken ein sehr leistungsstarkes und nutzbares Netzwerk bereitstellen können, das die initialen Erwartungen und Simulationen übertrifft. Die Strecken verhalten sich wie Hohlleiter, die elektromagnetische Wellen an Firste (Decke), Sohle (Boden) und Stössen (Wänden) reflektieren und so das Netzwerk über lange Teile des Grubengebäudes zuverlässig bereitstellen. Erste Auswertungen der strahlenden Kabel zeigen, dass das bereitgestellte Netzwerk im Vergleich zu konventionellen MiMo-Richtantennen homogener und gleichmässiger ist. Zudem wurden mit lediglich zwei montierten Strahlenden Kabeln Datenraten erzielt, die auf einem ähnlichen Niveau eines konventionellen 4x4 MiMo-Radio mit Richtantenne liegen. Strahlende Kabel bieten Vorteile bei der Netzwerkabdeckung in Senken, Kurven oder in vielgenutzten Teilen des Bergwerks. Dadurch ist eine zuverlässige Nutzung des Netzwerks auch im realen Betrieb unter Verwendung grosser Betriebsmittel wie Radladern oder Muldenkippern gewährleistet. Somit steht nun ein Datensatz zur Verfügung, der es erlaubt, Konzepte zur ganzheitlichen Netzwerkabdeckung untertägiger Bergwerke zu extrahieren und die Vorteile beider Antennentechnologien miteinander zu verknüpfen.

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