Havsforskere måler sedimentfaner, der er rørt op af dybhavsminefartøjer

Hvad vil indvirkningen på havet være, hvis mennesker skal udvinde det dybe hav? Det er et spørgsmål, der bliver mere presserende, efterhånden som interessen for marine mineraler er vokset.

Havets dybhavsbund er spredt med ældgamle, kartoffelstore sten kaldet "polymetalliske knuder", der indeholder nikkel og kobolt - mineraler, der er meget efterspurgte til fremstilling af batterier, såsom til at drive elektriske køretøjer og lagre vedvarende energi, og som reaktion på faktorer som stigende urbanisering. Det dybe hav indeholder enorme mængder af mineralfyldte knuder, men virkningen af ​​at udvinde havbunden er både ukendt og meget omstridt.

Nu har MIT-havforskere kastet lidt lys over emnet med en ny undersøgelse af den sky af sediment, som et opsamlingsfartøj ville sætte gang i, mens det opsamler knuder fra havbunden.

Undersøgelsen, der vises i Science Advances, rapporterer resultaterne af et forskningskrydstogt i 2021 til en region i Stillehavet kendt som Clarion Clipperton Zone (CCZ), hvor der er masser af polymetalliske knuder. Der udstyrede forskere et præ-prototype-samlerkøretøj med instrumenter til at overvåge sedimentfaneforstyrrelser, mens køretøjet manøvrerede hen over havbunden, 4.500 meter under havets overflade. Gennem en række nøje udtænkte manøvrer. MIT-forskerne brugte køretøjet til at overvåge sin egen sedimentsky og måle dens egenskaber.

Deres målinger viste, at køretøjet skabte en tæt fane af sediment i dets kølvand, som spredte sig under sin egen vægt, i et fænomen kendt i væskedynamik som en "turbiditetsstrøm." Efterhånden som den gradvist spredte sig, forblev fanen relativt lav og holdt sig inden for 2 meter fra havbunden, i modsætning til umiddelbart at løfte sig højere op i vandsøjlen, som det var blevet postuleret.

"Det er et helt andet billede af, hvordan disse faner ser ud, sammenlignet med nogle af formodningerne," siger studiemedforfatter Thomas Peacock, professor i maskinteknik ved MIT. "Modellering af dybhavsminefaner skal tage højde for disse processer, som vi har identificeret, for at vurdere deres omfang."

Studiets medforfattere inkluderer hovedforfatter Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon og Souha El Mousadik fra MIT; og Matthew Alford fra Scripps Institution of Oceanography.

Dybhavsmanøvrer

For at indsamle polymetalliske knuder foreslår nogle mineselskaber at installere traktorstørrelser på bunden af ​​havet. Køretøjerne ville støvsuge knuderne sammen med noget sediment langs deres vej. Noduler og sediment vil derefter blive adskilt inde i køretøjet, med noduler sendt op gennem et stigrør til et overfladefartøj, mens det meste af sedimentet ville blive udledt umiddelbart bag køretøjet.

Peacock og hans gruppe har tidligere studeret dynamikken i sedimentfanen, som tilknyttede overfladeoperationsfartøjer kan pumpe tilbage i havet. I deres nuværende undersøgelse fokuserede de på den modsatte ende af operationen, for at måle sedimentskyen skabt af samlerne selv.

I april 2021 sluttede holdet sig til en ekspedition ledet af Global Sea Mineral Resources NV (GSR), en belgisk marineingeniørentreprenør, der udforsker CCZ for måder at udvinde metalrige knuder på. Et europæisk-baseret videnskabshold, Mining Impacts 2, udførte også separate undersøgelser sideløbende. Krydstogtet var det første i over 40 år, der testede et "præ-prototype" samlerbil i CCZ. Maskinen, kaldet Patania II, er omkring 3 meter høj, spænder 4 meter bred og er omkring en tredjedel af størrelsen af, hvad et køretøj i erhvervsskala forventes at være.

Mens entreprenøren testede køretøjets nodule-indsamlingsevne, overvågede MIT-forskerne sedimentskyen skabt i køretøjets kølvand. De gjorde det ved at bruge to manøvrer, som køretøjet var programmeret til at tage:en "selfie" og en "kør forbi."

Begge manøvrer begyndte på samme måde, hvor køretøjet satte ud i en lige linje, alle dets sugesystemer var tændt. Forskerne lod køretøjet køre 100 meter og indsamlede knuder på dens vej. Derefter, i "selfie"-manøvren, instruerede de køretøjet til at slukke for dets sugesystemer og vende tilbage for at køre gennem den sky af sediment, det lige havde skabt. Køretøjets installerede sensorer målte koncentrationen af ​​sediment under denne "selfie"-manøvre, hvilket gjorde det muligt for forskerne at overvåge skyen inden for få minutter efter, at køretøjet rørte den op.

Til "drive-by"-manøvren placerede forskerne en sensorbelastet fortøjning 50 til 100 meter fra køretøjets planlagte spor. Da køretøjet kørte langs med at samle knuder, skabte det en fane, der til sidst spredte sig forbi fortøjningen efter en time eller to. Denne "drive-by"-manøvre gjorde det muligt for holdet at overvåge sedimentskyen over en længere tidsskala på flere timer og fange faneudviklingen.

Uddampet

I løbet af adskillige kørsler var Peacock og hans team i stand til at måle og spore udviklingen af ​​sedimentfanen skabt af dybhavsminefartøjet.

"Vi så, at køretøjet ville køre i klart vand og se knuderne på havbunden," siger Peacock. "Og så er der pludselig en meget skarp sedimentsky, der kommer igennem, når køretøjet kommer ind i fanen."

Ud fra selfie-visningerne observerede holdet en adfærd, der var forudsagt af nogle af deres tidligere modelleringsstudier:Køretøjet oprørte en stor mængde sediment, der var tæt nok til, at det selv efter lidt blanding med det omgivende vand genererede en fane, der opførte sig næsten som en separat væske, der spredte sig under sin egen vægt i det, der er kendt som en turbiditetsstrøm.

"Turbiditetsstrømmen spreder sig under sin egen vægt i nogen tid, ti minutter, men mens den gør det, afsætter den sediment på havbunden og løber til sidst tør for damp," siger Peacock. "Herefter bliver havstrømmene stærkere end den naturlige spredning, og sedimentet går over til at blive båret af havstrømmene."

Da sedimentet drev forbi fortøjningen, anslår forskerne, at 92 til 98 procent af sedimentet enten lagde sig ned igen eller forblev inden for 2 meter fra havbunden som en lavtliggende sky. Der er dog ingen garanti for, at sedimentet altid bliver der frem for at drive længere op i vandsøjlen. Nylige og fremtidige undersøgelser foretaget af forskerholdet undersøger dette spørgsmål med det formål at konsolidere forståelsen for dybhavsminedrift sedimentfaner.

"Vores undersøgelse tydeliggør virkeligheden af, hvordan den indledende sedimentforstyrrelse ser ud, når du har en bestemt type knudeminedrift," siger Peacock. "Den store takeaway er, at der er komplekse processer som turbiditetsstrømme, der finder sted, når du laver denne form for indsamling. Så enhver indsats for at modellere en dybhavsminedrifts indvirkning vil skulle fange disse processer." + Udforsk yderligere

Hvad vil der ske med sedimentfaner forbundet med dybhavsminedrift?