Autonome mijnbouw: hoe robots erts uit de grond halen
Stel je een reusachtige vrachtwagen voor, zo groot als een huis, die dag en nacht af en aan rijdt door een verlaten woestijnlandschap. Er zit niemand achter het stuur. De truck weet zelf waar hij heen moet, wanneer hij moet stoppen voor een ander voertuig, en waar hij zijn lading rode ijzererts moet storten. Dit is geen toekomstbeeld: in het noordwesten van Australië rijden zulke vrachtwagens al jaren rond zonder chauffeur. Dat is autonome mijnbouw in de praktijk: mijnbouwvoertuigen en -installaties die zelfstandig werken, met mensen die vanuit een controlekamer op honderden of duizenden kilometers afstand toezicht houden.
Autonome mijnbouw is een verzamelnaam voor allerlei technologie: niet alleen vrachtwagens, maar ook boormachines, laadmachines die onder de grond rijden, en zelfs hele treinen die zonder machinist over honderden kilometers spoor rijden. Het idee lijkt op zelfrijdende auto's, maar dan in een omgeving die extremer en gevaarlijker is dan de openbare weg: stof, hitte, instortingsgevaar en zware, logge machines die niet zomaar kunnen uitwijken. Waar zelfrijdende auto's nog volop in ontwikkeling zijn, draait een deel van de autonome mijnbouw al op commerciële schaal.
Wat is het precies?
De basis van een autonoom mijnbouwvoertuig is een combinatie van sensoren die samen een beeld van de omgeving opbouwen. Denk aan lidar (een soort radar die met laserlicht afstanden meet), gewone radar, camera's en zeer nauwkeurige gps-ontvangers. Door al deze signalen te combineren, weet een voertuig continu waar het zich bevindt tot op enkele centimeters nauwkeurig, en of er een obstakel op zijn pad ligt.
Boven op deze sensoren draait besturingssoftware die bepaalt welke route het voertuig moet volgen, hoe hard het mag rijden en wanneer het moet stoppen. Deze software communiceert voortdurend met een centraal vlootbeheersysteem: een soort verkeerstoren die alle voertuigen in de mijn tegelijk aanstuurt, zodat een graafmachine, een truck en een ander voertuig elkaar niet in de weg zitten.
Een belangrijk begrip is geofencing: virtuele hekken die op de digitale kaart van de mijn zijn ingetekend. Komt een voertuig, of een mens te voet, binnen een verboden zone, dan grijpt het systeem automatisch in en stopt de machine. Net als bij zelfrijdende auto's onderscheiden ingenieurs verschillende niveaus van autonomie: van voertuigen die op afstand worden bestuurd door een operator (tele-remote) tot voertuigen die volledig zelfstandig hun werk doen zonder enige menselijke sturing tijdens de rit.
Onder de grond ligt het lastiger dan bovengronds, omdat gps daar niet werkt. Ondergrondse machines gebruiken daarom andere technieken om zich te oriënteren, zoals laserscanners die de tunnelwanden herkennen en vergelijken met een vooraf ingescande 3D-kaart van de mijngangen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is veiligheid. Mijnbouw is een van de gevaarlijkste beroepen ter wereld: instortingen, botsingen met zware voertuigen en vermoeidheid van chauffeurs die lange, eentonige ritten rijden, veroorzaken jaarlijks ongelukken. Door mensen uit de gevarenzone te halen en het rijden over te laten aan software die niet moe wordt en zich aan de regels houdt, hopen mijnbedrijven het aantal ongevallen te verlagen.
Daarnaast spelen productiviteit en kosten een grote rol. Een autonome truck hoeft niet te stoppen voor pauzes of ploegwissels en kan in theorie vierentwintig uur per dag doorrijden. Omdat de software consistenter rijdt dan een mens, slijten banden en motoren volgens sommige mijnbedrijven ook gelijkmatiger, wat onderhoudskosten kan verlagen. Hier staat wel een forse investering in techniek, netwerken en omscholing tegenover, dus de daadwerkelijke besparing verschilt sterk per mijn en is niet in elk project vanzelfsprekend.
Ten slotte maakt automatisering het mogelijk om erts te winnen op plekken waar mensen moeilijk of niet kunnen werken: extreem afgelegen gebieden, poolstreken met barre winters, of heel diepe ondergrondse mijnen waar hitte en luchtkwaliteit een probleem vormen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is het Autonomous Haulage System van mijnbouwbedrijf Rio Tinto in de Pilbara-regio van West-Australië. Sinds 2008 test en gebruikt het bedrijf daar autonome vrachtwagens van fabrikant Komatsu voor het vervoer van ijzererts. Rond 2019 waren er meer dan honderd van deze zelfrijdende trucks actief, en Rio Tinto meldde dat de vloot inmiddels meer dan een miljard ton materiaal autonoom had verplaatst.
Hetzelfde bedrijf ontwikkelde AutoHaul, een netwerk van autonome vrachttreinen die ijzererts over honderden kilometers spoor vervoeren van de mijnen naar de havens. Rio Tinto presenteerde dit in 2018 als 's werelds eerste volledig autonome zware vrachttrein-netwerk over lange afstand, al reed er nog altijd een operator mee als extra veiligheidsmaatregel tijdens de eerste jaren.
Een andere Australische mijnbouwreus, Fortescue Metals Group, zet sinds begin jaren 2010 autonome trucks van Caterpillar in en breidde de autonome vloot in de loop van de jaren uit naar meerdere mijnlocaties. Concurrent BHP volgde met autonome truckvloten op meerdere locaties in de Pilbara.
Onder de grond loopt Zweden voorop. Bij de Kristineberg-mijn van mijnbouwbedrijf Boliden worden al langere tijd op afstand bestuurde en deels autonome laadmachines (zogeheten LHD's, load-haul-dump-voertuigen) ingezet met technologie van fabrikant Sandvik. Staalbedrijf LKAB werkt in en rond de mijn van Kiruna aan het project Sustainable Underground Mining, waarbij geautomatiseerd, op afstand bestuurd en op termijn deels autonoom ertstransport een centrale rol speelt, mede omdat de bestaande mijn steeds dieper en dus lastiger bereikbaar wordt.
Hoe ver is de techniek?
Bovengrondse autonome vrachtwagens vormen het meest volwassen onderdeel van autonome mijnbouw. Bij meerdere grote ijzerertsmijnen in Australië draaien inmiddels honderden autonome trucks op commerciële schaal, en wereldwijd gaat het naar schatting om een aantal in de orde van duizenden voertuigen bij verschillende mijnbedrijven, al zijn precieze, onafhankelijk geverifieerde totalen lastig te vinden omdat bedrijven eigen cijfers hanteren.
Ondergrondse en meer complexe taken zoals autonoom boren of autonoom laden bij wisselende gesteentecondities staan minder ver. Daar spelen stof, trillingen en het ontbreken van gps grotere technische uitdagingen, en is vaak nog een operator nodig die op afstand meekijkt of ingrijpt bij onverwachte situaties.
Belangrijke obstakels zijn verder de hoge aanschafkosten om bestaande mijnen om te bouwen, de noodzaak van betrouwbare draadloze netwerken in afgelegen gebieden, en de vraag hoe je autonome systemen veilig certificeert. Voor dat laatste bestaat inmiddels de internationale norm ISO 17757, die eisen stelt aan de veiligheid van autonome en op afstand bestuurde mijnbouwmachines. Ook cyberveiligheid is een aandachtspunt: een gehackt of gestoord besturingssysteem van een tonnen zware truck is een reëel risico.
Een ander obstakel is sociaal van aard. Automatisering kost banen, vooral voor truckchauffeurs in afgelegen mijngemeenschappen. Bij de Canadese oliezandenexploitant Suncor leidde de aankondiging van autonome vrachtwagens rond 2016 tot protest van vakbond Unifor, die vreesde voor massaontslagen. Dit soort maatschappelijke discussies speelt bij vrijwel elk groot automatiseringsproject in de sector en is niet louter een technisch vraagstuk.
Wie werken eraan?
Aan de kant van de mijnbedrijven lopen Rio Tinto, BHP en Fortescue Metals Group (allemaal actief in Australië) voorop met autonome vrachtwagens en treinen. In Zweden zijn Boliden en staalbedrijf LKAB toonaangevend op het gebied van ondergrondse automatisering, en in Canada experimenteert oliezandenbedrijf Suncor met autonome trucks.
De technologie zelf komt meestal niet van de mijnbouwbedrijven zelf, maar van gespecialiseerde machinefabrikanten. Komatsu en Caterpillar leveren de meeste autonome bovengrondse vrachtwagens, terwijl het Zweedse Epiroc en het eveneens Zweedse Sandvik gespecialiseerd zijn in autonome en op afstand bestuurde ondergrondse machines zoals boorstellen en laadvoertuigen. Ook Hitachi levert mijnbouwmachines met automatiseringsopties.
Op onderzoeksgebied speelt de Australische overheidsinstantie CSIRO een rol bij onderzoek naar mijnbouwautomatisering en -robotica, en werken universiteiten met een sterke mijnbouwtraditie, zoals in Zweden en Australië, samen met de industrie aan opleidingen en onderzoek naar veiligere en efficiëntere automatisering. Internationale normen, waaronder de eerdergenoemde ISO 17757, worden ontwikkeld binnen de internationale standaardisatieorganisatie ISO, in overleg met zowel fabrikanten als mijnbedrijven.