Temperatur-Druck-Charakteristika des CO2-Phasenübergangs-Aufbrechens und der Bruchmechanik von Sprengrohren

Gestein brechen ohne herkömmliche Sprengstoffe

Bergbau und Tunnelbau stützen sich oft auf leistungsstarke Sprengstoffe, die Lärm, Hitze und Sicherheitsrisiken mit sich bringen. Diese Studie untersucht einen anderen Ansatz: die Nutzung von komprimiertem Kohlendioxid (CO2), das plötzlich vom Flüssig- in den Gaszustand übergeht, um Gestein zu spalten. Durch die gezielte Steuerung von Erwärmung, Ausdehnung und Austritt des CO2 aus einem Stahlrohr können Ingenieure Gestein brechen, ohne offene Flammen oder brennbare Chemikalien zu verwenden. Das Verständnis dieses Prozesses könnte unterirdische Arbeiten sicherer, leiser und präziser machen.

Wie eine CO2-Sprengung aufgebaut ist

Bei der CO2-Phasenübergangs-Sprengung wird ein robustes Stahlrohr in einem in das Gestein oder die Kohle gebohrten Loch platziert. Flüssiges CO2 wird in das Rohr gepumpt und gekühlt, sodass es in einem dichten, druckbehafteten Zustand verbleibt. Ein eingebautes Heizelement wird später durch ein elektrisches Signal ausgelöst. Beim Erhitzen wandelt sich das flüssige CO2 schnell in einen hochkomprimierten, gasähnlichen Zustand und sein Volumen versucht sich um das Hundertfache zu vergrößern. Dadurch steigt der Druck im Rohr so weit an, bis ein ausgelegter Schwachpunkt schließlich nachgibt, das CO2 hinausstürzt und gegen die benachbarte Gesteinsoberfläche drückt. Da die Energie aus einem physikalischen Phasenübergang und nicht aus chemischer Verbrennung stammt, erzeugt die Methode geringere Vibrationen sowie keine Flammen oder giftige Dämpfe.

Was im Rohr passiert

Die Autoren verfolgen genau, wie sich Temperatur und Druck im Rohr während dreier Schlüsselschritte ändern: Befüllen, Erhitzen und Freigabe. Während des Befüllens wechselt CO2 zwischen Gas und Flüssigkeit, der Druck steigt stetig und die Rohrwand trägt die Last ohne bleibende Schäden. Beim Erhitzen wirken spezielle chemische Pellets wie ein kompakter Heizer und treiben das CO2 in wenigen tausendstel Sekunden in einen überkritischen Zustand. Der Druck steigt scharf an, doch das Rohr besteht aus hochfestem Legierungsstahl mit verdickten Enden, sodass es innerhalb sicherer Grenzen bleibt. Die Studie zeigt, dass die Spitzenspannung im Rohrkörper weit unter der Bruchfestigkeit des Metalls liegt, was bedeutet, dass der Rohrkörper viele Male wiederverwendet werden kann, solange seine schwächste Komponente richtig gesteuert wird.

Gestaltete Schwachstellen, die die Sprengung kontrollieren

Die eigentliche „Zündschnur“ im System ist der Teil, der versagen soll: entweder eine dünne Reißscheibe am Boden eines wiederverwendbaren Rohrs oder eine gefräste Naht an der Seite eines Einwegrohrs. Mit Computersimulationen zeigen die Forscher, dass die Bodenplatte hauptsächlich durch Abscheren entlang eines Rings versagt, wo der belastete Mittelpunkt auf den eingespannten Rand trifft. Der zum Bruch dieser Scheibe benötigte Druck steigt nahezu linear mit Festigkeit und Dicke des Metalls und sinkt mit der Größe der belasteten Fläche. Diese einfache Beziehung erlaubt es Ingenieuren, Material und Geometrie der Scheibe so zu wählen, dass ein gewünschter Aufbruchdruck und damit die Sprengenergie eingestellt werden können.

Einmalrohre und die Rolle der Rille

Bei einwegseitigen Rohren wird die Schwachstelle durch das Einfräsen einer langen V-förmigen Rille in die Rohrwand geschaffen. Wenn der CO2-Druck ansteigt, konzentriert sich die Spannung an der Rille, bis das Metall längs aufreißt und seitlich in den Bohrlochraum entweicht. Weil die Form dieser Rille komplexer ist, lässt sich der Bruchdruck nicht durch eine einfache Formel beschreiben. Stattdessen nutzt das Team ein statistisches Entwurfsverfahren, um viele Kombinationen von Rillentiefe, Länge und Breite zu untersuchen. Ihre Analyse zeigt, dass die Tiefe den stärksten Einfluss auf den Aufreißzeitpunkt hat, gefolgt von der Länge, während die Breite am wenigsten ins Gewicht fällt. Durch die Anpassung dieser Parameter können Designer einstellen, wie leicht sich das Rohr öffnet und wie viel Energie ans Gestein übertragen wird.

Vom Gasstrahl zum gespaltenen Gestein

Sobald sich das Rohr öffnet, strömt das CO2 als Hochgeschwindigkeitsstrahl aus. Es bewegt sich durch den schmalen Spalt zwischen Rohr und Bohrlochwand, verliert dabei allmählich an Kraft, trifft aber dennoch mit einem scharfen Impuls auf das Gestein. Dieser Impuls erzeugt Spannungswellen, die sich durch das Gestein ausbreiten und um das Bohrloch kleine Risse anlegen. Das verbleibende unter Druck stehende Gas dringt dann in diese Risse ein, drückt sie weiter auf und verlängert sie. Die Studie beschreibt, wie der Druck an der Wand verstärkt wird, wenn der Strahl auftrifft, und wie er sich anschließend in ein langsamer wirkendes Druckfeld zerlegt, wodurch ein schnelles ‚Hammer-Prinzip‘ mit anhaltendem Drücken kombiniert wird, um das Gestein effektiv zu brechen.

Warum das für sichereren Gesteinsaufbruch wichtig ist

Insgesamt zeigt die Arbeit, dass CO2-Phasenübergangs-Sprengungen von einer sorgfältig gesteuerten Entwicklung des Fluids angetrieben werden: vom Gas zur Flüssigkeit, in einen dichten überkritischen Zustand und zurück zum Gas. Die Art und Weise, wie sich Temperatur und Druck im Rohr ändern und wie das Rohr konstruktiv zum Versagen gebracht wird, steuern, wie viel Energie das Gestein erreicht und wie Risse wachsen. Durch Formeln, Simulationen und Gestaltungsregeln für wiederverwendbare und Einwegrohre bietet die Studie einen Fahrplan, um diese nicht-explosive Methode vorhersehbarer und effizienter zu machen. Für Arbeiter und Anwohner in der Nähe von Bergwerken und Tunneln könnte das sicherere Einsätze mit geringeren Vibrationen, weniger Lärm und reduzierter Abhängigkeit von herkömmlichen Sprengstoffen bedeuten.

Zitation: Chen, Z., Yuan, Y., Li, B. et al. Temperature–pressure characteristics of CO₂ phase-transition blasting and the failure mechanism of fracturing tubes. Sci Rep 16, 9526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40279-y

Schlüsselwörter: CO2-Sprengung, Gesteinsaufbruch, nicht-explosive Demontage, Gasmale, Bergbausicherheit