Tunnelbau und Geothermie per Laserstrahl: So sieht die Zukunft der Bohrtechnik aus – entwickelt in Deutschland

Auch im Tunnelbau könnte in Zukunft die in Deutschland entwickelte Laserbohrtechnik zum Einsatz kommen. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Der helle Strahl frisst sich in den Fels – zischend, dann knackend, gibt das Gestein nach. Wenn der Laserstrahl erlischt, bleibt nichts als ein rauchender Spalt und dampfende Schlacke.

In Filmen und Videospielen sieht es so einfach aus: Laser zerteilen selbstverständlich Gestein oder zerstören als Superwaffen ganze Planeten. Aber ist das alles reine Fantasie?

Wir haben bei Experten nachgefragt, die tatsächlich schon so manchem Fels mit Lasern zu Leibe gerückt sind. Auftritt: Diplom-Ingenieur Volker Wittig vom Fraunhofer IEG in Bochum.

Realitätscheck: Können wir mit Lasern Gestein anbohren?

Volker Wittig weiß, wie zäh Gestein sein kann. Er forscht seit gut 20 Jahren in diesem Feld und ist an der Entwicklung eines Spezial-Lasers beteiligt. Seine fortschrittliche Technik soll helfen, schneller, sichererer und günstiger nach Erdwärme zu bohren: das LaserJetDrilling.

Stellt euch dieses lasergestützte Bohren folgendermaßen vor: Ihr holt Butter aus dem Kühlschrank, kalt und ziemlich hart. Ein Löffel vermag etwas abzuschaben, aber es ist viel Kraft nötig.

Wenn ihr die Butter etwas erwärmt, deutlich vor dem Schmelzen, bleibt sie als Block noch gut erkennbar. Der Löffel hat nun aber leichtes Spiel. Er kann aus der bis zur Sämigkeit erweichten Masse problemlos große Mengen herausnehmen. Wer will, kann jetzt Wasser nehmen, um die Butter fortzuspülen – fertig ist die Küchensimulation.

Dem Gestein zu Leibe rücken: LaserJetDrilling

Im Einsatz sieht das LaserJetDrilling so aus: Der Bohrkopf wird in das Bohrloch hinabgelassen. Entlang des ihn haltenden Gestells sitzen Glasfaserleitungen, die den Laser als optisches Signal (Licht) von der Oberfläche übertragen. Er wird nämlich derzeit noch oben erzeugt, aber tief unten eingesetzt – anders ist es aktuell technisch noch nicht möglich.

Das Ziel muss also sein, das Laserlicht möglichst verlustfrei hunderte Meter hinab in die Erde zu leiten. Seine Wirkung entfaltet er dann dort durch Wiederaustritt mittels einer Optik am drehenden Bohrkopf, eingebettet in das vorderste Stück: die sogenannte Bohrkrone.

Zum Gestein selbst legt der Laserstrahl maximal einen Zentimeter zurück, je kürzer der Weg hier, desto besser.

Die Hauptherausforderung bei der Hightech-Konstruktion stellt allerdings etwas vermeintlich Primitives dar: Wasser beziehungsweise »Spülung«. Denn die ist beim Bohren unvermeidbar.

Wer tief bohrt, benötigt dazu sogenannte Bohrspülung zum Betrieb und Aufrechterhaltung des Bohrprozesses. Damit erhält sich immer ein eher schlammiges Gemisch im Bohrloch.

Kurzum: ohne Wasser kein Bohren, kein Loch.

Doch Laser(licht) und Bohrwasser/Spülung beziehungsweise schmutzige Flüssigkeiten vertragen sich gar nicht. Denn selbst über kurze Distanzen, wie hier bei dem Bohrlaser, verliert das konzentrierte Licht schnell den Großteil seiner Wirkung.

Deshalb entwickelten sie beim Fraunhofer-Institut eine lebende Hülle für den Laserstrahl – ein Schutzschild aus sauberem Wasser. Er ist das Kernstück des LaserJetDrillings.

So kann das konzentrierte, ungestörte Licht das Gestein erhitzen, wodurch es drastisch an Härte einbüßt. Der Bohrkopf kann es bei deutlich geringerem Widerstand abschaben. Wir sprechen hier, auch wenn es sich wie eine bloße Erweiterung anhört, von einer komplett neuen Art zu bohren.

Als Einsatzort fürs laserunterstützte Bohren bieten sich vor allem sehr harte, magmatisch/metamorph geprägte Untergründe an. Gesteine, die wie bei uns in Deutschland in erster Linie durch Sedimentablagerungen entstanden sind, erfordern in der Regel wohl auch in Zukunft nicht zwingend einen Lasereinsatz, schätzt Wittig ein.

Extrem tief müssten wir auch bohren, um an von einigen Forschern vermutete Quasi-Ozeane unter der Marsoberfläche zu gelangen. Und alte Bohrinseln könnten ein zweites Leben als Standorte für Erdwärmekraftwerke geschenkt bekommen.

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Prinzip erfolgreich, jetzt folgt der Feinschliff

In Zukunft gelte es laut Volker Wittig aber noch etliche Herausforderungen zu lösen:

• Es muss noch die optimale Stärke des Lasers ermittelt werden, im Kern geht es um die Antwort auf die Frage: Wie weich wollen/müssen wir das Gestein bekommen und wie viel Energie kostet uns das im Vergleich zu Strombedarf und Schäden am Bohrkopf. Es ist also ein Abwägen, um ein Gleichgewicht zu finden. Am Ende klafft schließlich das energetisch optimal gebohrte Loch vor intakten Diamantbohrköpfen.
• Eine neue Sensorik muss entwickelt werden, um den Bohrprozess optimal zu steuern. Die herkömmliche diene nur dem herkömmlichen, mechanischen Bohrprozess, aber für einen Einsatz quasi ohne intensive Berührung zum Gestein brauche es angepasste Instrumente und Lösungen.
• Der Laser sitzt bestenfalls direkt hinter dem Bohrkopf, denn durch die Übertragung hinab ins Bohrloch geht viel von der potenziellen Wirkung verloren. Dafür müsse die Laserquelle aber noch stark schrumpfen. Ingenieure sprechen hierbei von Miniaturisierung. Das ist ein Schritt, den viele Technologien üblicherweise nehmen.
  • Ein Zwischenschritt wird deshalb sein, den Laser immerhin im Bohrloch, aber ein Stück oberhalb der Bohrkrone an der Hinterseite des Bohrkopfes zu erzeugen. So müsste nur Strom hinab geleitet werden – ein deutlich einfacherer und weitestgehend verlustfreier Prozess.

Ein komplettes Aufschmelzen sowie daran anschließendes Abpumpen der zähen Erd/Gesteinssuppe oder sublimierter Gesteinsteilchen wäre zwar auch denkbar, aber noch Zukunftsmusik.

Der Energieaufwand sei schlicht extrem und bisher unwirtschaftlich. Doch die Physik der Laser erlaubt es natürlich, begibt sich Volker Wittig im Ansatz auf die Pfade der Science Fiction.

Wirtschaftliche Zukunft der Laserbohrtechnik

Allerdings müssen wir noch etwas Geduld aufbringen, bis die Forschung von Wittig und seinen Kollegen beim Fraunhofer IEG zum Berufsalltag für Bohringenieure wird: »Ein Jahrzehnt, eventuell etwas mehr, aber nicht mehrere Jahrzehnte«, schätzt er. Letztendlich läge das aber nicht allein in den Händen der Forscher und Ingenieure, sondern vor allem von zwei Grundprinzipien der Marktwirtschaft: Nachfrage und Investition.

Es muss wirtschaftliche Gründe für die Unternehmen geben, Laser einzusetzen und damit Forschung und Entwicklung voranzutreiben. Deshalb hänge es vor allem von den obigen Branchen und Akteuren in der Politik ab, ob wir demnächst nach Rohstoffen oder günstig zugänglicher Erdwärme mit Lasern bohren.

Und wenn es um den Einsatz von Lasern explizit als Superwaffe geht, das haben wir euch rein mathematisch beantwortet. Da erfahrt ihr, was es theoretisch brauchen würde, um die Erde mit einem Todesstern zu pulverisieren.

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Bohren im Dunkeln

Derweil setzt uns in Deutschland ein Faktor fernab jeder Technik besonders zu: Uns nützt der beste Bohrer wenig, wenn wir nicht wissen, wo es sich lohnt, ihn anzusetzen. »Uns fehlt teils schlicht Kenntnis über den Untergrund«, ordnet Volker Wittig ein. Der Großteil unseres Landes sei nur bis zu einer Tiefe von etwa 1.000 Meter hervorragend erkundet.

Allerdings drängt sich die Notwendigkeit, das zu ändern, langsam ins Bewusstsein der Entscheidungsträger.

Explorationsbohrungen durch das Fraunhofer IEG und dessen Partner in Weisweiler bei Aachen, wie sie jetzt erstmals seit langer Zeit geplant sind, sollen helfen, Potenziale der Geothermie in der Region zu erkunden. 4.000 Meter, so tief wollen die Forscher dort heruntergehen – auf herkömmliche Art, also ohne Laser, auch wenn sie schon anders könnten.