Forstå virkningen af ​​dybhavsminedrift

Hvilende oven på Thomas Peacocks skrivebord er en almindeligt udseende brun sten. Omtrent på størrelse med en kartoffel, det har været i centrum for årtiers debat. Kendt som en polymetallisk knude, den brugte 10 millioner år på at sidde på den dybe havbund, 15, 000 fod under havets overflade. Nodulen indeholder nikkel, kobolt, kobber, og mangan - fire mineraler, der er essentielle i energilagring.

"I takt med at samfundet bevæger sig i retning af at køre flere elektriske køretøjer og bruge vedvarende energi, der vil være en øget efterspørgsel efter disse mineraler, at fremstille de batterier, der er nødvendige for at dekarbonisere økonomien, " siger Peacock, en professor i maskinteknik og direktør for MIT's Environmental Dynamics Lab (END Lab). Han er en del af et internationalt team af forskere, der har forsøgt at få en bedre forståelse af miljøpåvirkningen ved at indsamle polymetalliske knuder, en proces kendt som dybhavsminedrift.

De mineraler, der findes i knuderne, især kobolt og nikkel, er nøglekomponenter i lithium-ion-batterier. I øjeblikket, lithium-ion-batterier tilbyder den bedste energitæthed af ethvert kommercielt tilgængeligt batteri. Denne høje energitæthed gør dem ideelle til brug i alt fra mobiltelefoner til elektriske køretøjer, som kræver store mængder energi i et kompakt rum.

"Disse to elementer forventes at se en enorm vækst i efterspørgslen på grund af energilagring, " siger Richard Roth, direktør for MIT's Materials Systems Laboratory.

Mens forskere udforsker alternative batteriteknologier såsom natrium-ion-batterier og flow-batterier, der bruger elektrokemiske celler, disse teknologier er langt fra kommercialisering.

"Få mennesker forventer, at nogen af ​​disse lithium-ion-alternativer vil være tilgængelige i det næste årti, " forklarer Roth. "At vente på ukendt fremtidig batterikemi og -teknologier kan betydeligt forsinke udbredt anvendelse af elektriske køretøjer."

Store mængder specialnikkel vil også være nødvendige for at bygge batterier i større skala, som vil være nødvendige, da samfund ser ud til at skifte fra et elektrisk net drevet af fossile brændstoffer til et drevet af vedvarende ressourcer som solenergi, vind, bølge, og termisk.

"Indsamlingen af ​​knuder fra havbunden betragtes som et nyt middel til at få disse materialer, men før du gør det, er det bydende nødvendigt fuldt ud at forstå miljøpåvirkningen af ​​minedriftsressourcer fra det dybe hav og sammenligne den med miljøpåvirkningen af ​​minedriftsressourcer på land. " forklarer Peacock.

Efter at have modtaget startfinansiering fra MIT's Environmental Solutions Initiative (ESI), Peacock var i stand til at anvende sin ekspertise i væskedynamik til at studere, hvordan dybhavsminedrift kunne påvirke omgivende økosystemer.

Imødekomme efterspørgslen efter energilagring

I øjeblikket, nikkel og kobolt udvindes gennem landbaserede minedrift. Meget af denne minedrift foregår i Den Demokratiske Republik Congo, som producerer 60 procent af verdens kobolt. Disse landbaserede miner påvirker ofte omgivende miljøer gennem ødelæggelse af levesteder, erosion, og jord- og vandforurening. Der er også bekymring for, at landbaseret minedrift, især i politisk ustabile lande, måske ikke være i stand til at levere nok af disse materialer, da efterspørgslen efter batterier stiger.

Havet mellem Hawaii og USA's vestkyst - også kendt som Clarion Clipperton Fracture Zone - anslås at have seks gange mere kobolt og tre gange mere nikkel end alle kendte landbaserede butikker. samt store forekomster af mangan og en betydelig mængde kobber.

Mens havbunden er rigelig med disse materialer, der er lidt kendt om de kort- og langsigtede miljøeffekter af minedrift 15, 000 fod under havets overflade. Peacock og hans samarbejdspartner professor Matthew Alford fra Scripps Institution of Oceanography og University of California i San Diego leder søgen efter at forstå, hvordan sedimentfanerne, der genereres af samlingen af ​​knuder fra havbunden, vil blive båret af vandstrømme.

"Nøglespørgsmålet er, hvis vi beslutter os for at lave en fane på sted A, hvor langt spreder det sig, før det til sidst regner ned på havbunden?" forklarer Alford. "Denne evne til at kortlægge geografien for virkningen af ​​havbundsminedrift er en afgørende ukendt lige nu."

Den forskning, Peacock og Alford udfører, vil hjælpe med at informere interessenter om de potentielle miljøeffekter af dybhavsminedrift. Et presserende spørgsmål er, at udkast til udnyttelsesbestemmelser for dybhavsminedrift i områder uden for national jurisdiktion i øjeblikket er ved at blive forhandlet af Den Internationale Havbundsmyndighed (ISA), en uafhængig organisation etableret af FN, der regulerer alle mineaktiviteter på havbunden. Peacock og Alfords forskning vil hjælpe med at guide udviklingen af ​​miljøstandarder og retningslinjer, der skal udstedes i henhold til disse regler.

"Vi har en unik mulighed for at hjælpe regulatorer og andre berørte parter med at vurdere udkast til regler ved hjælp af vores data og modellering, før driften starter, og vi beklager virkningen af ​​vores aktivitet, " siger Carlos Munoz Royo, en ph.d. studerende i MIT's END Lab.

Sporing af faner i vandet

I dybhavsminedrift, et samlerkøretøj ville blive indsat fra et skib. Samlerkøretøjet kører derefter 15, 000 fod ned til havbunden, hvor den støvsuger de øverste fire centimeter af havbunden. Denne proces skaber en fane kendt som en samlerfan.

"Når samleren bevæger sig hen over havbunden, det rører sediment op og skaber en sedimentsky, eller fane, der er båret væk og fordelt af havstrømme, " forklarer Peacock.

Samlerkøretøjet samler knuderne op, som pumpes gennem et rør tilbage til skibet. På skibet, brugbare knuder adskilles fra uønsket sediment. Det sediment ledes tilbage i havet, skabe en anden fane, kendt som en udledningsfane.

Peacock samarbejdede med Pierre Lermusiaux, professor i maskinteknik og havvidenskab og ingeniørvidenskab, og Glenn Flierl, professor i jorden, atmosfærisk, og planetariske videnskaber, at skabe matematiske modeller, der forudsiger, hvordan disse to faner rejser gennem vandet.

For at teste disse modeller, Peacock satte sig for at spore faktiske faner skabt af minedrift i Stillehavets bund. Med finansiering fra MIT ESI, han påbegyndte det første feltstudie nogensinde af sådanne faner. Han fik selskab af Alford og Eric Adams, senior forskningsingeniør ved MIT, samt andre forskere og ingeniører fra MIT, Scripps, og United States Geological Survey.

Med finansiering fra UC Ship Funds Program, holdet gennemførte eksperimenter i samråd med ISA under en ugelang ekspedition i Stillehavet ombord på US Navy R/V Sally Ride i marts 2018. Forskerne blandede sediment med et sporfarvestof, som de var i stand til at spore ved hjælp af sensorer på det udviklede skib af Alfords Multiscale Ocean Dynamics-gruppe. Derved, de lavede et kort over fanernes rejser.

Feltforsøgene viste, at modellerne Peacock og Lermusiaux udviklede kan bruges til at forudsige, hvordan faner vil rejse gennem vandet - og kunne hjælpe med at give et klarere billede af, hvordan den omgivende biologi kan blive påvirket.

Indvirkning på dybhavsorganismer

Livet på havbunden bevæger sig i et glacialt tempo. Sediment akkumuleres med en hastighed på 1 millimeter hvert årtusinde. Med så langsom væksthastighed, områder, der er forstyrret af dybhavsminedrift, vil sandsynligvis ikke komme sig inden for en rimelig tidsplan.

"Bekymringen er, at hvis der er et biologisk samfund specifikt for området, det kan blive uigenkaldeligt påvirket af minedrift, " forklarer Peacock.

Ifølge Cindy Van Dover, professor i biologisk oceanografi ved Duke University, ud over organismer, der lever i eller omkring knuderne, andre organismer andre steder i vandsøjlen kan blive påvirket, når fanerne rejser sig.

"Der kan være tilstopning af filterfødestrukturer af, for eksempel, gelatinøse organismer i vandsøjlen, og nedgravning af organismer på sedimentet, " forklarer hun. "Der kan også være nogle metaller, der kommer ind i vandsøjlen, så der er bekymringer om toksikologi."

Peacocks forskning i faner kan hjælpe biologer som Van Dover med at vurdere sideskader fra dybhavsminedrift i omkringliggende økosystemer.

Udarbejdelse af regler for minedrift i havet

Gennem forbindelser med MIT's Policy Lab, Instituttet er et af kun to forskningsuniversiteter med observatørstatus ved ISA.

"Fjerforskningen er meget vigtig, og MIT hjælper med at eksperimentere og udvikle fanemodeller, som er afgørende for at informere Den Internationale Havbundsmyndigheds nuværende arbejde og dens interessentbase, " forklarer Chris Brown, en konsulent hos ISA. Brown var en af ​​snesevis af eksperter, der mødtes på MIT's campus sidste efterår til en workshop, der diskuterede risiciene ved dybhavsminedrift.

Til dato, den feltundersøgelse, Peacock og Alford har foretaget, er det eneste havdatasæt på midtvandsfaner, der findes til at hjælpe med at vejlede beslutningstagningen. Det næste trin i at forstå, hvordan faner bevæger sig gennem vandet, vil være at spore faner, der er genereret af et prototype-samlerkøretøj. Peacock og hans team i END Lab forbereder sig på at deltage i et større feltstudie med et prototype køretøj i 2020.

Takket være den seneste finansiering fra 11th Hour Project, Peacock og Lermusiaux håber på at udvikle modeller, der giver mere og mere præcise forudsigelser om, hvordan dybhavsminedrift vil rejse gennem havet. De vil fortsætte med at interagere med akademiske kolleger, internationale agenturer, NGO'er, og entreprenører til at udvikle et klarere billede af dybhavsminedriftens miljøpåvirkning.

"Det er vigtigt at have input fra alle interessenter tidligt i samtalen for at hjælpe med at træffe informerede beslutninger, så vi fuldt ud kan forstå miljøpåvirkningen af ​​minedriftsressourcer fra havet og sammenligne den med miljøpåvirkningen af ​​minedriftsressourcer på landjorden, " siger Peacock.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.