Swissloop Tunneling
Studentisches Engagement für einen fortschrittlichen Tiefenbau

Ein 2020 ins Leben gerufenes Projekt von Studierenden der ETH-Zürich setzte sich mit seiner Gründung ein äusserst anspruchsvolles Ziel: den Tunnelbau revolutionieren. Seither erzielt Swissloop Tunneling mit seiner eigens entwickelten Tunnelbohrmaschine bedeutende Fortschritte auf diesem ambitionierten Weg.

Die Gruppe von Schweizer Studierenden verfügt aktuell über eine Mikrotunnelbohrmaschine, die den Namen «Groundhog Beta» trägt und konventionelle Ansätze des Tunnelbaus bewusst umgeht. So ist ihre Maschine technisch in der Lage, ohne Unterbruch einen Tunnel zu bohren, indem die Tunnelwand simultan zum Bohrprozess erstellt wird. Ansätze wie dieser sind in solch einer Form Neuland im Gebiet des Tunnelbaus und haben das Potenzial, die Zukunft des Tunnelbaus effizienter gestalten zu lassen. Diese Effizienzsteigerung gilt sowohl in zeitlicher, finanzieller, als auch ökologischer Hinsicht. Im März 2024 erreichte das Team einen Meilenstein in der Erreichung dessen. Es gewann mit seiner Tunnelbohrmaschine im Bereich des Microtunnelings einen internationalen Wettbewerb in den USA, der von Elon Musks «The Boring Company» organisiert ist und den Innovationsgeist in dieser Industrie entscheidend forcieren soll.

Der Gründung von Swissloop Tunneling vorausgehend, initiierte Elon Musk, der nebst Unternehmen wie Tesla und SpaceX auch sein Startup für den Bau effizienterer Tunnelbohrmaschinen gründete, die «Not-a-Boring Competition». Dieser Wettbewerb soll Studierenden aus der ganzen Welt in einem kompetitiven Rahmen die Chance bieten, Stärken ihrer selbstentwickelten Prototypen im Wettbewerbsrahmen zu demonstrieren. Dies ermöglicht es jungen Menschen, neben ihrem Studium früh an den Innovationbestrebungen in einer Nische hochkomplexer Technologie mitzuwirken. Um mit ihren Projekten für diesen Wettbewerb aber überhaupt erst zugelassen zu werden, müssen die Studierenden nicht nur technische Hürden bestreiten. Auch gilt es für sie, eigenständig die Herausforderung anzunehmen, schnell als Team gemeinsam zu funktionieren und früh die für ihr Vorhaben notwendigen Mittel zu organisieren. Swissloop Tunneling erhielt dabei zunehmend wertvolle Mittel der Unterstützung von Seiten externer Partner aus der Wirtschaft und von Institutionen, die das Team gezielt in den Fortschritt des Projektes investiert.

Die Gruppe Schweizer Studierender konnte sich schon früh erfolgreich den technischen und organisatorischen Herausforderungen eines solchen Projektes stellen. So entwickelten sie ihr Erstmodell einer Tunnelbohrmaschine namens «Groundhog Alpha» innert einem Jahr. Sie konnten mit dieser an der allerersten Durchführung der «Not-a-Boring Competition» in Las Vegas (Nevada, USA) den Innovation Award sowie den 2. Gesamtrang mit nach Hause nehmen. Dieselben Resultate wurden auch bei der nächsten Durchführung des Wettbewerbs im Jahr 2023 erreicht, allerdings mit maschinell neuen Ansätzen, welche das Team zuerst von Grund auf neu entwickeln und testen musste. Die zweite Wettbewerbsdurchführung fand dieses Mal zudem nicht mehr in Las Vegas, sondern in Bastrop (Texas, USA) statt. Das Schweizer Team nutzte folglich die Zeit zwischen den ersten beiden Wettbewerben, um seine Maschine in bedeutsamen Systemen vollständig neu zu konzipieren. Das betraf vor allem das Erosion- und Liner-Subsystem, die neben den anderen Subsystemen im seither eingesetzten «Groundhog Beta»-Modell wie folgt funktionieren:

Weitere Subsysteme: «Groundhog Beta» verfügt zusätzlich über ein Navigationssystem. Dieses ermöglicht die autonome Bewegung der Maschine durch den Untergrund sowie ein angewinkeltes und von maschinellen Vibrationen unbeeinträchtigtes Bohren. Eine Propulsion-Komponente dient der Vorwärtsbewegung an sich. Dabei pressen sich aussen an der Maschine befindende Platten gegen die Umgebung und die Maschine wird nach vorne gedrückt, indem die Platten eine nach hinten gerichtete Bewegung ausführen. Des Weiteren verfügt die Maschine von Swissloop Tunneling über ein komplexes aber für ihre Anwendung effizientes System an Software. Zusammen mit den in «Groundhog Beta» eingebauten Sensoren und Aktoren wird mit der Software die Interaktion zwischen Menschen und der Maschine, also zwischen Oberfläche und Untergrund, erlaubt. Um aber mit dem Bohrprozess überhaupt erst beginnen zu können, wird die Maschine im Freien zuerst in eine Start-Plattform eingesetzt, bevor sie sich ihren Weg in den Untergrund bahnt. Diese ebenfalls von Swissloop Tunneling entwickelte Plattform kann aus unterschiedlichen Winkeln sowohl über dem Boden als auch in einer Grube angebracht werden, um von dort aus den Bohrprozess zu starten.

Mit diesen sich teilweise von «Groundhog Alpha» auch massgeblich unterscheidenden, neuen Subsystemen konnte das Schweizer Team 2023 den zweiten Gesamtrang an der zweiten «Not-a-Boring Competition» verteidigen und wurde erneut für seine hochinnovativen Ansätze ausgezeichnet. Entsprechend reiste der Verein mit der Motivation in die Schweiz zurück, die Maschine weiter zu optimieren, um ein Jahr später dann auch den gesamten Wettbewerb als Erstplatzierte zu gewinnen.

Swissloop Tunneling ist stolz, dies nun auch erreicht zu haben und mit seiner Tunnelbohrmaschine an der «Not-a-Boring Competition» 2024 als erstplatziertes Team mit dem «Champion Award» ausgezeichnet worden zu sein. Damit konnte in Texas bewiesen werden, dass die in «Groundhog Beta» integrierte Technologie auch langfristig das tatsächliche Potenzial hat, die Effizienz von Bauprojekten im Untergrund zu steigern. Swissloop Tunneling ist nämlich überzeugt, mit diesen technologischen Ansätzen und ihres schon erfolgreichen Einsatzes einen wesentlichen Beitrag leisten zu können, um den Tunnelbau in Zukunft entscheidend vereinfachen und beschleunigen zu können. Gegenwärtige sowie zukünftige Infrastrukturprojekte, die über weite Distanzen auch durch den Untergrund verlaufen, sollen durch modernere Tunnelbohrmaschinen schneller realisierbar und finanziell tragbarer werden. Dies betrifft nicht nur die Schweiz, sondern auch früher oder später erfolgende Projekte für den Ausbau von Infrastruktur in Ländern weltweit.

Das Projekt der ETH-Zürich-Studierenden wird damit weiter an der ambitionierten, aber greifbaren Vision festhalten: zukunftsnah mit richtungsweisender Innovation im Tunnelbau die entscheidende Effizienzsteigerung des Tiefenbaus realisieren.

den 2. Gesamtrang mit nach Hause nehmen. Dieselben Resultate wurden auch bei der nächsten Durchführung des Wettbewerbs im Jahr 2023 erreicht, allerdings mit maschinell neuen Ansätzen, welche das Team zuerst von Grund auf neu entwickeln und testen musste. Die zweite Wettbewerbsdurchführung fand dieses Mal zudem nicht mehr in Las Vegas, sondern in Bastrop (Texas, USA) statt. Das Schweizer Team nutzte folglich die Zeit zwischen den ersten beiden Wettbewerben, um seine Maschine in bedeutsamen Systemen vollständig neu zu konzipieren. Das betraf vor allem das Erosion- und Liner-Subsystem, die neben den anderen Subsystemen im seither eingesetzten «Groundhog Beta»-Modell wie folgt funktionieren:

Erosion-System

Mittels des Erosion-Systems wird das Bodenmaterial, welches im Tunnelbohrprozess zu verarbeiten ist, an der Vorderseite der Maschine mit einem speziellen Schaumgemisch aufbereitet. Dieser vorbereitende Schritt ist in Texas aufgrund des stark kohäsiven Lehmbodens entscheidend, um den Boden von dieser zähen Konsistenz überhaupt befreien zu können. Der rotierende Bohrkopf und ein sich dahinter befindender Apparat ermöglichen anschliessend, zusätzlich zur Abtragung des Lehmmaterials, die Zerkleinerung von Gestein im Boden. Das erodierte Material wird darauffolgend über Schläuche durch die Maschine hinaus an die Oberfläche befördert. Dort wird über ein externes Sedimentationssystem ein Kreislauf betrieben, in dem das im Prozess involvierte Wasser vom erodierten Material getrennt wird, zurück in die Maschine fliessen kann und somit für den weiterlaufenden Erosionsprozess wieder zur Verfügung steht.

Liner System

Das Subsystem zur Bildung der Tunnelwand ermöglicht ein ununterbrochenes Bohren im Untergrund. Der Liner lässt, wie ein in die Tunnelbohrmaschine eingebauter 3D-Drucker die gewünschte Form und Dicke der Tunnelwand erzielen. Dies geschieht über ein Polymer-Granulat, welches mittels eines pneumatischen Systems in der Maschine dem Liner zugeführt wird. Dort wird das zu schmelzende Polypropylen über Wärmeelemente in einem Prozess der Extrusion erhitzt, in die zu erreichende Form geführt und für den abschliessenden Zustand wieder runtergekühlt. Damit entsteht an der Oberfläche der runden Maschine eine feste Aussenschicht, die sich in Gegenrichtung zur Vorwärtsbewegung auf der Bohrstrecke fortlaufend erweitert. Und so entsteht die stabile Wand des mit «Groundhog Beta» erschlossenen Tunnels, die auch den hohen Kräften der sich weiterbewegenden Maschine und ihrer umgebenden Erde standhält. Zudem ist das Material der Tunnelwand wiederverwendbar, sobald ein Tunnel einmal nicht mehr gebraucht würde.