Das Projekt `DIETER: Digitalisierung bergbaulicher Strukturen durch die Kombination von innovativer Sensorik, künstlicher Intelligenz und prozessbasierter Modellierung´ widmet sich der Entwicklung und Implementierung fortschrittlicher Technologien in gefluteten Bergbaustrukturen.
Der 1858 begonnene Neuhoffnungsstollen in Bad Ems war für kurze Zeit die wichtigste Emser Grube bis es im Jahr 1882 aufgrund von Schädigungen an den angrenzenden Thermalquellen zu einem Verbot des Tiefbaubetriebs kam. Mit behördlichen Genehmigungen wurde in den Folgejahren die Förderung von Erzen wie Blei und Silber immer wieder aufgenommen. Der Stollen erstreckt sich über 350 Meter Länge, verfügt über 15 Sohlen unter Tage sowie einen Schacht, der fast 900 Meter tief ist. Nach dem Ende des zweiten Weltkriegs ist das Bergwerk aufgrund ausgefallener Pumpen mit Grundwasser vollgelaufen.
Für Jan Sonntag, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fakultät Kommunikation und Umwelt, der das Projekt DIETER betreut, bietet der Neuhoffnungsstollen das perfekte Setting für Forschungszwecke: „Da in diesem Bergwerk keine Kohle abgebaut wurde, gibt es keine Feinstaubbelastung und das eingesetzte Equipment muss nicht explosionsgeschützt sein. Der Schacht ist trotz Überflutung mit einer Sonde vollständig befahrbar. Es gibt eine vernünftige Luftzirkulation und auch die Statik stimmt.“
Die Planung des seit Januar 2024 und noch bis Dezember 2026 laufenden Projekts DIETER sieht vor, dass der Neuhoffnungsstollen beispielhaft genauer erforscht werden soll. Dazu wird durch das IoT-Lab der HSRW, vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Rolf Becker, Henrik Schoofs und Jan Sonntag, umfangreiche Sensorik und Netzwerktechnik installiert. Ziel ist laut der Ruhr-Universität Bochum, die das Projekt koordiniert, „die Schaffung eines Online-Tools, um die Überwachung und Analyse von Wassermenge, Wasserqualität und geothermischem Potenzial zu ermöglichen und Kommunen somit kostengünstige und barrierearme Werkzeuge zur Verfügung zu stellen.“
Die Informationstechnik muss funktionieren
Die vier Partner im Projekt DIETER – Ruhr-Universität Bochum (RUB), Universität Stuttgart, HSRW sowie EXWE GmbH – sind für je ein Arbeitspaket verantwortlich. Die Aufgaben des IoT-Labs der HSRW lassen sich in drei kleinere Aufgaben aufschlüsseln:
- Bereitstellung einer allgemeinen Infrastruktur für interne und externe Kommunikation
- Installation der Sensorik
- Datenverfügbarkeit für Partner in Cloud bereitstellen
Aber zunächst eine kurze Definition des Internet der Dinge: Mit IoT, kurz für Internet of Things, ist die Vernetzung von ‚smarten´ Geräten gemeint, beispielsweise Sensoren, welche Daten übertragen, empfangen und verarbeiten können. Und das nicht nur für Forschungs- und industrielle Zwecke: Smart Homes würde es ohne das IoT nicht geben.
Ein erster Meilenstein im Projekt war die Installation der Internetinfrastruktur durch das IoT-Lab der HSRW im Mai 2024. „Kabel mussten keine gelegt werden“, erinnert sich Jan Sonntag. „Wir setzen auf drahtlose Kommunikation durch Funktechnologie. Die Sensoren kommunizieren mit dem Hauptknotenpunkt am Schacht 3 über LoRaWAN, kurz für Long Range Wide Area Network. Ein weiterer Datenknotenpunkt befindet sich am Eingang. Damit können kleine Datenmengen auch über größere Reichweiten gesendet werden.“
Zahlreiche Herausforderungen galt es zu meistern. „Der Neuhoffnungsstollen ist ein schwieriges Umfeld und wir hatten zuvor noch keine vergleichbare Erfahrung“, so Jan Sonntag. „Die Funktechnik verhält sich innerhalb des Stollens anders als außen. Aufgrund der hohen Luftfeuchtigkeit von 90 Prozent sind nicht alle Sensoren geeignet und das Eisenhydroxid, also Rostpartikel im Wasser, erfordert eine regelmäßige Reinigung der Sonden.“ Jan Sonntag ist durchschnittlich alle anderthalb bis zwei Monate vor Ort.
Im Neuhoffnungsstollen wurden verschiedene Sensortypen installiert, um alle 20 bis 30 Minuten Daten zur Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit sowie CO2 zu erfassen. Die CO2-Sensorik ist derzeit Thema einer Bachelorarbeit in Zusammenarbeit mit der Fakultät Technologie und Bionik. Im Schacht 3 werden die Wasserparameter elektrische Leitfähigkeit, Wasserstand und –temperatur erhoben. Und in Schacht 2 wird der Pegelstand erfasst, um auf eine mögliche Verbindung zu Schacht 3 zu schließen. Das Team installiert zunehmend mehr Sensorik, denn was derzeit „oben“ ausprobiert wird, soll auch in der Tiefe funktionieren: Eine Pegelsonde soll alle ein bis zwei Stunden eine komplette Wassersäule aus dem fast 900 Meter tiefen Schacht aufnehmen, um Veränderungen in der Zusammensetzung festzustellen.
Zum Projektende soll vom IT-Dienstleister und Projektpartner EXWE GmbH aus Dortmund ein Datendashboard stehen, dass alle relevanten Informationen über die lokale Bergwerkstruktur in Echtzeit bereitstellt. Die entstandenen Sensor-Daten sollen zudem auch anderen Forschenden frei zur Verfügung gestellt werden. Die RUB entwickelt mit Hilfe der Daten, die vom IoT-Lab der HSRW erhoben werden, ein Hard- und Software-basiertes Monitoring-Tool (soft sensors). Mehr Informationen über das Projekt DIETER sowie einen Blog zu Updates können auf der Webseite https://bergwerk-digital.de/ gelesen werden
glossar
Stollen = waagerechte Verbindungen zwischen Erdoberfläche und Lagerstätte
Grube = Bergwerk, entwickelt aus früherem Tagebau
Schacht = Senkrechter Grubenbau zur Erschließung einer Lagerstätte
Sohle = Vergleichbar mit Etagen in einem Haus