„Ganz und gar nicht unter Schock“: 10 Jahre Schockwellenlabor in der Reichen Zeche

Wissenschaftler bei einer Sprengung untertage
Seit 2011 haben Forschende der TU Bergakademie Freiberg in einem untertägigen Schockwellenlabor im Forschungs- und Lehrbergwerk „Reiche Zeche“ mehr als 500 Sprengungen durchgeführt.

„Entstanden aus einer Idee zur Zusammenführung der Höchstdruckforschung der beiden Institute für Anorganische Chemie und Mineralogie, blicken wir heute mit dem Schockwellenlabor auf zehn Jahre und gut zehn interdisziplinäre Forschungsprojekte mit wertvollen Beiträgen sowohl für Grundlagenforschung als auch für industrie- beziehungsweise anwenderorientierte Forschung zurück“, freut sich Prof. Gerhard Heide, Gründungsmitglied des Freiberger Hochdruckforschungszentrums (FHP).

Das Team um die Professoren Edwin Kroke und Gerhard Heide nutzt die bei der Detonation des Sprengstoffs erzeugten Druckwellen, um beispielsweise in Proben aus „weichen“ Ausgangsmaterialien Umwandlungsprozesse auszulösen und damit neue, besonders harte und zähe Materialien zu erzeugen. Solche Prozesse sind auch in der Natur bekannt: Bei Meteoriteneinschlägen kann beispielsweise Diamant entstehen. „Die durch Schockwellen hergestellten Hart- und Ultrahartstoffe zeichnen sich beispielsweise durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus und können in Bohrköpfen in der Tiefbohrtechnik, aber auch zum Polieren optischer Gläser eingesetzt werden", erklärt Prof. Edwin Kroke.

Aufsicht auf das Schockwellenlabor.Im sechs Mal sechs Meter großen und über fünf Meter hohen Sprengraum können bis zu 20 Kilogramm Sprengstoff pro Experiment gezündet werden. „Damit können Drücke von bis zu 200 Gigapascal, das sind 2 Megabar, für die Materialsynthese erzeugt werden, so dass wir in der Lage sind, Bedingungen der Kern-Mantel-Grenze der Erde zu simulieren“, berichtet der Leiter des Schockwellenlabors Dr.-Ing. Thomas Schlothauer. Zum Vergleich: Diamant bildet sich bereits bei 2 GPa.

Erfolgreiche Testphase 2020 in den Regelbetrieb überführt

Nach einer Testphase erhielt das Schockwellenlabor im Oktober 2020 die Erlaubnis für den Regelbetrieb vom Sächsischen Oberbergamt. Dank umfassender Umbaumaßnahmen, wieder durch die Belegschaft des Forschungs- und Lehrbergwerks, wurde während des Testbetriebs ein komplett neuer Zugang errichtet, um auch sehr große Proben im Labor untersuchen zu können. Im Rahmen des Testbetriebs wurden seit der Eröffnung des Labors im Jahr 2011 mehr als 500 Sprengstoff-Versuche zur Synthese neuer Materialien, Untersuchung von Mineralen und Gesteinen unter extremen Drücken sowie der Erforschung des Verhalten von Werkstoffen beim Plattieren und hochdynamischen Belasten durchgeführt. „Der Gleisanschluss direkt in die Sprengkammer ermöglicht es uns, nun auch ganz andere Fragestellungen zu bearbeiten beziehungsweise größere Proben zu untersuchen. Unter dem Stichwort `Zivile Sicherheit' entwickeln und testen wir im Rahmen eines AiF-Verbundprojekts neuartige mobile Materialverbunde, zum Beispiel Glasgewebe und Schaumglas als Schutzelemente für die Kampfmittelbeseitigung“, berichtet Prof. Gerhard Heide.

Hintergrund: Schockwellenlabor als Teil des Freiberger Hochdruckforschungszentrums (FHP) der Dr.-Erich-Krüger-Stiftung

Das Schockwellenlabor befindet sich im Forschungs- und Lehrbergwerk Reiche Zeche auf der 1. Sohle im Bereich des Ganges "Wilhelm Stehender Nord" in 145 m Tiefe und besteht aus einem Mess- und Kontrollraum sowie der eigentlichen Sprengkammer. Es ist Teil des Freiberger Hochdruck-Forschungszentrums (FHP), welches das 1. Forschungskolleg der Dr.-Erich-Krüger-Stiftung war. Das FHP ist ein interdisziplinärer, universitätsweiter Forschungsverbund von Arbeitsgruppen, die sich mit geo-, material- und werkstoffwissenschaftlichen Fragestellungen im Bereich von statischen und dynamischen Bedingungen hoher Drücke beschäftigen. Die Vorsitzende der Dr.-Erich-Krüger-Stiftung, Dr. Erika Krüger, weihte das Schockwellenlabor mit einer symbolischen Sprengung am 11. Juli 2011 ein.

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Prof. Gerhard Heide, gerhard.heide@tu-freiberg.de