「トンネルの終わりの光」という古い比喩は、180 度方向転換して、「光はトンネルの始まり」になろうとしています。何十年もの間、トンネルの開削は、スチールディスク、大量の圧力、絶え間ない摩耗など、力ずくの代名詞でした。トンネル掘削機は岩石に食い込み、破壊し、砕きます。これは時間がかかり、高価であり、そして何よりも機械的なプロセスです。それが理由です その努力をレーザーで置き換えるか、少なくとも補完するというアイデアは、ほとんど SF のように聞こえます。それでも、すでにそれに取り組んでいるチームがあります。
フラウンホーファーレーザー技術研究所 ILT (ドイツ) の科学者らによる画期的な提案であるこの提案は、単純な前提に基づいています。岩石を壊す代わりに、岩石を変形させてみてはいかがでしょうか。高出力レーザー 素材を「叩く」のではなく、極限まで加熱します。 強度に応じて、溶けたり蒸発したりすることもあります。つまり、石を砕く代わりに、石をガスに変換します。
最近のシステムは、 100 キロワット (キッチンプレート約 60 枚を一瞬でオンにするのに相当します…ただし、そのすべてのエネルギーがわずか数ミリメートルに集中します)、鋼鉄の切断と非常に硬い材料の穴あけが可能であることが証明されており、掘削や採掘での使用への扉が開かれています。しかし、本当の進歩はパワーだけではなく、その使い方にもあります。
Jochen Stollenwerk 率いる責任者らは、単一のビームの代わりに、レーザーを複数の小さなビームに分割するシステムを開発しています。これにより、より制御された方法でエネルギーを岩の表面に分散させることができます。実際的な観点から言えば、 これは、材料が溶けてガラス層が形成され、穴あけの続行が困難になるという古典的な問題を回避することを意味します。
特許取得済みの設計では、レーザーが TBM カッティング ヘッドに直接組み込まれています。それらは地形の一種の「軟化剤」として機能します。岩石を加熱し、内部張力を生成し、機械式ディスクがより少ない労力で岩を破砕しやすくします。それで、 掘削は正面衝突ではなくなり、熱物理学と機械物理学の組み合わせになります。
なぜこれが機能するのかを理解するには、岩そのものを詳しく見る必要があります。岩石は均一ではありません。それらには、微小亀裂、異なる熱特性を持つ鉱物、蓄積された張力の領域があります。レーザーが当たると、加熱されるだけでなく、非常に急激な温度勾配 (遷移) が生じます。一部の部分は拡張しますが、他の部分は拡張しません。 この不均衡により内部張力が発生し、最終的に材料を内部から亀裂を生じさせます。
一部のシステムでは、この効果を強化するために水を加えることもあります。レーザーが表面を加熱すると、突然水がその領域を急速に冷却します。この熱コントラストによりさらなる微小亀裂が発生し、破損がさらに容易になります。それはある意味、 岩を叩く代わりに「疲労させる」方法です。潜在的な利点は非常に大きいです。工具の摩耗が少ないということは、中断も少なくなり、コストも削減されることを意味します。より制御された掘削により、都市環境において重要な振動を低減できる可能性があります。そして レーザーの精度により、余分な材料を減らし、よりクリーンなトンネルへの扉が開きます。。
さらに、エネルギー効率という、あまり明らかではないメリットもあります。高出力レーザーは多くのエネルギーを消費しますが、材料の抵抗を下げることでその費用を相殺できます。いくつかの実験はすでに次のことを示しています 岩石の掘削に必要な総エネルギーの大幅な減少。
「鉱山だけでなく、トンネル掘削や深坑掘削においても、高出力レーザーは岩石を破砕し、既存のプロセスを大幅に加速するのに役立つ可能性があるとシュトーレンヴェルク氏は声明で説明している。造船や産業プラントでは、高い平均出力により、厚い材料や高張力鋼のより効率的かつ正確な穴あけ、切断、接合プロセスが可能になる。しかし、レーザー技術が新たな次元に到達しているのは、例えば次のような分野である。」 ワンショットで 1,000 個の穴を開け、毎分平方メートルの金属とガラスの表面を準備しますあるいは、数センチメートルの厚さの鋼鉄を正確に切断して接合することもできます。」
