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Von der neuen Sonde erhofft sich das KIT neue Möglichkeiten, durch den Blick ins Erdinnere neue Erkenntnisse für die Geothermie zu gewinnen. Bild: iStock, Yuri_Arcurs
Kamera für Tiefengeothermie

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Der Blick ins Erdinnere

Für tiefe Geothermie-Bohrungen entwickeln Karlsruher Wissenschaftler eine Kamerasonde, die starkem Druck und hohen Temperaturen standhalten kann. Vor allem für elektrische Bauteile sind diese Extrembedingungen eine Herausforderung.

Um den Zustand geothermischer Bohrlöcher zu beurteilen, sind Bohringenieure und Geologen auf die Anzeigen von Messinstrumenten und ihre eigene Erfahrung angewiesen. Bei dem Bau und der Revision von Bohrlöchern werden nur selten Kameras eingesetzt, da die existierenden Systeme für die Bohrungen sehr teuer sind und eine Liveübertragung keinen genaueren Blick auf interessante Ausschnitte zulässt. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern entwickeln Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eine Kamerasonde für geothermische Bohrlöcher. Damit kann in Zukunft beispielsweise der Korrosionsgrad und die Abnutzung der Verrohrung bestimmt und geologische Hindernisse per Livebild inspiziert werden.

Schichten wie bei einer Zwiebel

Die Kamerasonde besteht aus mehreren Gefäßen, die wie bei einer Zwiebel übereinander liegen und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Zwischen den Dewar-Gefäßen, doppelwandige Behältnisse aus Glas- oder Edelstahl, befindet sich Vakuum. In deren Inneren ist die elektronische Kameraeinheit. Den Aufbau kann man sich wie den einer Thermoskanne vorstellen. Die temperaturempfindlichen Elektrobauteile werden mit Hilfe der Dewar-Gefäße von den hohen Außentemperaturen abgeschirmt. Da diese Wärmedämmung jedoch nicht vollkommen ausreicht um einen mehrstündigen Betrieb zu gewährleisten, wird die Temperatur im Inneren der Sonde zusätzlich durch eine Kühlung mit Phasenwechselmaterialien (PCM) weiter gesenkt.

Wo ist was?

Die Gefäße befinden sich im Inneren eines Rohrs das mit einer Nickelbasislegierung veredelt wurde, fixiert sind sie mit einem Teflon-Stopfen. Die aus einer speziellen Keramik bestehende Kameraeinheit, setzt sich aus einer Frontal- und zwei Seitenkameras zusammen. Sie ist außerdem drehbar und filmt durch ein Frontalfenster und sechs seitliche Fenster. Während des Einsatzes lassen sich an allen Objektiven der Fokus und die Blende je nach den aktuellen Erfordernissen individuell regeln. Für die nötige Helligkeit und die Variationsmöglichkeiten sorgen zahlreiche integrierte LED-Dioden. Eine Weiterleitung der aufgenommenen Bilder über Distanzen von mehreren Kilometern ist, aufgrund der abnehmenden Übertragungsrate durch die zunehmende Entfernung, schwierig. Um diese Problematik zu umgehen, werden die Aufnahmen durch eine Software komprimiert und über ein Kabel an die Oberfläche transferiert.

Weitere Entwicklungsarbeiten in Planung

Im Verlauf der dreijährigen Forschungsarbeiten konnten bereits viele Detail-, Konstruktions- und Auslegungsfragen gelöst werden, wie etwa zu den eingesetzten Materialien, dem Kühlkonzept, der Bildübertragung sowie der Steuerung und Beleuchtung der Kamera. Ein praxisreifer Prototyp, der unter den potentiellen Bedingungen einer realen Geothermieanlage getestet werden könnte, gibt es derzeit noch nicht. Der weitere Entwicklungsbedarf liegt laut Dr. Jörg Isele vor allem darin, das schlanke Stahl-Dewar fertig zu stellen und eine zuverlässige Verbindungstechnik zwischen den transparenten Keramikfenstern und der Nickelbasislegierung zu entwickeln. Aber auch die Datenübertragung via Kabel über langen Distanzen muss noch vollendet und erprobt werden. Das KIT wird bereits in diesem Jahr das Funktionsmuster der Kamerasonde unter realitätsnahen Bedingungen im Autoklaven testen.

Richtige Funktion in der Tiefe

Gerade für eine Kamerasonde mit temperaturempfindlicher Elektronik herrschen in Bohrlöchern von bis zu 4000 Metern Tiefe anspruchsvolle Bedingungen. In Mitteleuropa beträgt die Umgebungstemperatur in derartigen Tiefen bis zu 165 °C und der Druck bis zu 600 bar. Meist arbeitet die Sonde dabei in korrosivem Thermalwasser, deshalb muss sie aus wasserdichten und korrosionsbeständigen Materialien gefertigt sein. Damit auch die Nutzung in engen Bohrlöchern möglich ist, sollten die Außenmaße der Sonde 95 Millimeter nicht übersteigen. Im Inneren darf höchstens eine Temperatur von 70 °C herrschen.

Außerdem ist es eine wichtige Voraussetzung, dass sich die PCM-Kühlelemente einfach austauschen lassen. Die Datenübertragung aus der Tiefe muss, damit die Bedienungsmannschaft über Tage, in Echtzeit die Daten der Sonde abrufen und darauf reagieren kann, bis zu 25 farbige Bilder pro Sekunde erreichen. Auch dient es dazu, dass kontrolliert werden kann, ob die Sonde sich vom Übertragungsort entfernt.

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