Drohnen im Bergbau

I‌n immer mehr Bergbaubetrieben werden Drohnen eingesetzt. Sie ermöglichen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine effizientere und genauere Datenerfassung. So tragen sie dazu bei, das Sicherheitsmanagement zu verbessern, Prozesse zu beschleunigen und somit die Produktivität zu erhöhen. Nicht zuletzt aufgrund niedriger Kosten bei langfristigen Einsätzen sind unbemannte Systeme lohnend: Eine Umfrage von „Global Data“ ergab, dass durch den Ersatz von bemannten Fluggeräten durch Drohnen 90 % der Kosten pro Stunde eingespart werden können. Und im Vergleich zu Vermessungsaktionen am Boden würde ein Team von Landvermessern etliche Tage brauchen, um die gleiche Menge an Daten zu sammeln, die eine Drohne in wenigen Stunden generieren kann.

Bei Drohnen, die bislang im Einsatz sind, handelt es sich um unbemannte Luftfahrzeuge, häufig auch UAV (Unmanned ­Aerial Vehicle) abgekürzt. Sie werden vom Boden aus von einem Drohnenpiloten per Funkfernsteuerung navigiert. ­Abhängig von ihrem Einsatzzweck und ihrer Leistungsfähigkeit können Drohnen Nutzlasten transportieren oder mit Kameras und Sensoren bestückt werden, um Kontroll- und Vermessungsaufgaben zu übernehmen. In Kombination mit entsprechender Software sind sie in der Lage, umfassende, multifunktionale Echtzeit-Daten zu liefern. Weil derlei Erhebungen vergleichsweise günstig und gefahrlos sind, können sie ohne großen Aufwand regelmäßig wiederholt werden, so dass sich Ingenieure auf die Auswertung der gesammelten Daten konzentrieren können.

Die technischen Fortschritte bei Drohnen, Kameras und Sensoren einerseits sowie die Weiterentwicklung der gesetzlichen Rahmenbedingungen andererseits haben in den letzten Jahren der Drohnen-Wirtschaft einen enormen Höhenflug beschert. Der Bundesverband der Deutschen Luftverkehrswirtschaft geht davon aus, dass sich in Deutschland schwerpunktmäßig rund 400 Unternehmen und insgesamt 14 000 Menschen mit Drohnen befassen. Die Zahl der unbemannten Systeme in der Luft, die gewerblich im Einsatz sind, hat sich seit 2019 etwa verdoppelt. Dieser Trend wird sich fortsetzen: Während zurzeit nur eine von neun Drohnen kommerziell betrieben wird, wird es im Jahr 2025 bereits jede dritte sein. Der deutsche Markt soll sich in diesem Zeitraum auf rund 1,6 Mrd. € verdoppeln, prognostizieren Branchen-Experten.

Da Drohnen und die von ihnen gelieferten Daten ständig besser werden, entstehen immer neue Einsatzmöglichkeiten für UAV-Systeme. Sie werden zur Vermeidung von Ernteausfällen in der Landwirtschaft eingesetzt, zur Begutachtung von Schäden durch Sturm, Brand oder Wasser, zur Inspektion von Schienen, Stromleitungen und Pipelines, zur Verkehrsüberwachung, bei Such- und Rettungseinsätzen. Auch und besonders in der Bergbau-, Bau- und Infrastrukturindustrie werden UAVs immer häufiger eingesetzt: von der Erkundung über die Kartierung bis hin zur automatisierten Überwachung. Sie liefern zumeist in kürzerer Zeit Daten als es mit herkömmlichen Methoden – vom Boden, per Heli­kopter oder Satellit – möglich ist: Häufig sogar in besserer Qualität. Und überdies sind sie so flexibel, dass auch schwer zugängliche oder gefährliche Gebiete genau erkundet werden können. Für Drohnen stellen steile Abhänge, schlechte Sicht, unwegsames Gelände und marode Konstruktionen in der Regel kein Problem dar. Ihr Einsatz bei laufendem Betrieb reduziert Ausfallzeiten ebenso wie Nachbearbeitungszeiten. Liegt eine UAV-Kartierung vor, sind Boden­kontrollpunkte entbehrlich.

Eine leistungsstarke Drohne mit adäquater Ausrüstung kann – in Kombination mit kluger Software – bereits mit einem Flug so viele Daten sammeln, dass georeferenzierte 3D-Karten und detaillierte digitale Geländemodelle erstellt werden können. Damit können Bergbaubetreiber leicht und zeitnah das genaue Volumen von Halden und abzubauenden Bereichen bestimmen. Zudem können sie branchenspezifische und -relevante Vermessungen durchführen, Massen- und Hangbewegungen dokumentieren, das Verkehrsmanagement optimieren und vieles mehr.  Mithilfe entsprechender Software können sogar virtuell begehbare Be­reiche erstellt oder Gelände markiert werden, was nicht den Vorgaben entspricht oder potenziell bedrohlich ist. Den Einsatzmöglichkeiten der UAV-Systeme sind nur wenige Grenzen gesetzt. So nutzt man in einigen Regionen in Zentralasien Drohnen mit einem Gammaspektrometer, um radioaktive Belastungen im Umfeld von Uranbergbaualtlasten aufzuzeichnen.

Durch eine neue EU-weite Gesetzeslage wird der Einsatz von Drohnen für den gewerblichen Einsatz in einem ganz speziellen Punkt deutlich vereinfacht: Die unbemannten Systeme können außerhalb des Sichtkontakts (BVLOS – Beyond Visual Line of Sight) geflogen werden. Dies galt zwar auch schon bisher, aber: Durch die Gesetzesnovellierung, die im Mai vom Deutschen Bundestag in nationales Recht umgesetzt wurde, gilt nun: Unternehmen, denen eine bestimmte Mission (also beispielsweise einen Einsatz im Bergbau zur Erhebung von Geodaten) an einem Ort innerhalb der EU genehmigt wurde, können diese Mission auch an einem beliebigen anderen Ort mit vergleichbaren Bedingungen durchführen. Anders als zuvor muss nicht jeder Flug außerhalb des Sichtkontakts neu bei einer regionalen oder nationalen Luftfahrtbehörde beauftragt und von dieser genehmigt werden. Damit werden entsprechende Einsätze viel weniger bürokratisch, deutlich günstiger und somit überhaupt erst attraktiv. Hinzu kommt: Spezialisierte Unternehmen bieten solche Drohnen-Einsätze als Service an. Will ein Bergbau­betreiber Drohnen für Inspektionen oder Vermessungen einsetzen, muss er keinen eigenen Piloten beschäftigen – er kann einfach einen entsprechenden Dienstleister beauftragen. Und dieser muss nicht einmal mehr vor Ort sein. Flüge können remote von überall aus durchgeführt werden, wo der jeweilige Drohnenpilot sitzt. Die Drohne fliegt dann selbständig zum Einsatzort. Kann der „Drone as a Service“-Anbieter auf ein flächendeckendes Netz mit einsetzbaren unbemannten Systemen zugreifen, kann die Drohne sogar schon innerhalb einer Stunde (oder schneller) am Einsatzort sein. Hohe Reisekosten entfallen damit ebenso wie die Notwendigkeit, eigenes Personal schulen zu müssen.

Gleich aus mehreren Gründen wird der Einsatz im Tagebau dadurch attraktiv:

Der Einsatz von UAV-Systemen führt zu deutlichen Zeit- und Kostenersparnissen bei der Vermessung und Kartierung.

Gefahren für Leib und Leben von Arbeitern in schwer zugänglichen oder stark frequentierten Bereichen werden vermieden.

Einsätze außerhalb des Sichtkontakts (BVLOS) ermög­lichen Drohnen-Einsätze komplett ferngesteuert, ohne dass der Drohnenpilot vor Ort sein muss.

Die gleichzeitige Weiterentwicklung von Hyperspektral-Kameras und anderer Sensorik wird zukünftig in Kombination mit innovativen Auswertemethoden die Analyse und Identifizierung verschiedener Materialien noch weiter vereinfachen.

Indem Drohnen etwa in Echtzeit umfassende Informationen über die Bedingungen vor Ort bereitstellen, vereinfachen sie die Koordination der Teams vor Ort. Und leicht lässt sich der Zustand der Transportwege beurteilen: Kommen weitere Daten hinzu – etwa Streckenlänge, Neigung, Abbiegewinkel etc. – können diese optimiert und Treibstoffkosten reduziert werden. Bei Einsätzen zur Datenerhebung fliegt die Drohne definierte Flugrouten mit festgelegten Wegpunkten ab und nimmt kontinuierlich sich überlappende Einzelbilder auf. Diese Einzelbilder werden im Anschluss georeferenziert und mosaikartig zusammengesetzt. Aus der anschließend erzeugten Punktwolke können sehr hoch aufgelöste digitale Höhenmodelle (DEM, DGM), Gittermodelle (Mesh) oder True Orthofotos abgeleitet werden, die messtechnisch ausgewertet werden können. Typische Anwendungen finden sich unter anderem in der Flächen- und Volumenberechnung, zum Beispiel von Erdmassen.

Auch beim mühsamen Management von Halden helfen unbemannte Systeme: Die automatisierte Kontrolle durch Drohnen bedeutet hier eine enorme Entlastung. Diese Einsätze können auch mit Drohnen-Operationen unter Tage kombiniert werden, beispielsweise bei der Überwachung von stillgelegten Minen oder bei der Gefahrenprävention im Hinblick auf Überflutungen oder Gasaufkommen.

Welche Rahmenbedingungen müssen nun gegeben sein, damit Drohneneinsätze im Tagebau gelingen?

In einem ersten Schritt sollten Bergbauunternehmen prüfen, welche ihrer Routine-Aufgaben (Vermessung, Inspektion, Überwachung) derzeit kostenintensiv, zeitaufwendig oder gefährlich sind. Hier bieten sich ideale Einsatzmöglichkeiten für unbemannte Systeme. Wichtig für eine kosteneffiziente Berechnung: Je häufiger eine Tätigkeit wiederholt wird, umso mehr rechnet sich die Drohne. Wird Gelände beispielsweise in regelmäßigem Abstand per Helikopter abgeflogen, ist der Drohneneinsatz fast immer günstiger. Direkt am Einsatzort wird dann eine Ladestation aufgestellt (Flächenbedarf ca. 3 x 4 m). Dort wird die Drohne geparkt, wenn sie nicht im Einsatz ist, und kann gleichzeitig aufgeladen werden. Der eigentliche Flug wird von dort aus ferngesteuert, wo der Pilot des Drohnen-Dienstleisters sitzt.

Unbemannte Flugsysteme sind komplex, ihre Handhabung bedarf deshalb entsprechendem Fachwissen. Diese Aufgaben reichen von der Flugplanung und der Beantragung behördlicher Genehmigungen, über die Beschaffung der Hardware (Drohne, Kamera, Sensorik, Ladesysteme) und der Softwareeinrichtung bis hin zum eigentlichen Flug und der Analyse erhobener Daten. Hier bietet es sich an, auf professionelle Dienstleister zuzugreifen, wenn die Ergebnisse hochgenau sein sollen.

Der Einsatz unbemannter Systeme im Bergbau bietet somit zahlreiche Vorteile für effizientere Prozesse, eine bessere Datenqualität und das Vermeiden von Sicherheitsrisiken. An vielen Orten auf der Welt werden Drohnen zukünftig die Arbeit im Tagebau begleiten.