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了解深海采矿的影响

从海底开采材料可能有助于确保一个低碳的未来,但研究人员正在努力了解其对环境的影响。

托马斯·皮科克(Thomas Peacock)的办公桌上放着一块看起来很普通的棕色岩石。大约一个土豆的大小,它一直是几十年争论的中心。它被称为多金属结核,在海平面以下15000英尺的深海海床上生活了1000万年。这种结核含有镍、钴、铜和锰——这四种矿物质在能量储存中是必不可少的。

机械工程教授、麻省理工学院环境动力学实验室(END Lab)主任皮科克表示:“随着社会朝着驾驶更多电动汽车和利用可再生能源的方向发展,对这些矿物的需求将会增加,以生产脱碳经济所需的电池。”他是一个国际研究团队的成员,该团队一直在努力更好地了解收集多金属结核对环境的影响,这个过程被称为深海采矿。

结核中发现的矿物,特别是钴和镍,是锂离子电池的关键组成部分。目前,锂离子电池的能量密度是所有商用电池中最高的。这种高能量密度使它们成为从手机到电动汽车的理想之选,因为电动汽车需要在一个紧凑的空间内消耗大量的能量。

麻省理工学院(MIT)材料系统实验室(Materials Systems Laboratory)主任理查德•罗斯(Richard Roth)表示:“由于能源储存,这两种元素的需求预计将大幅增长。”

虽然研究人员正在探索替代电池技术,如钠离子电池和利用电化学电池的流动电池,但这些技术离商业化还很远。

Roth解释说:“几乎没有人认为这些锂离子电池的替代品会在未来十年内出现。”“等待未知的未来电池化学物质和技术的出现,可能会大大推迟电动汽车的广泛应用。”

随着社会寻求从化石燃料供电的电网向太阳能、风能、波浪能和热能等可再生资源供电的电网转变,需要大量的特种镍来制造更大规模的电池。

“结节的收集从海底被视为新意味着获得这些材料,但是在这样做之前必须充分了解环境的影响从深海矿产资源,矿产资源的环境影响进行比较在陆地上,”解释了孔雀。

在获得麻省理工学院环境解决方案项目(ESI)的种子资金后,皮科克能够将他在流体动力学方面的专业知识应用到深海采矿对周围生态系统的影响上。

满足储能需求

目前,镍和钴是通过陆上采矿作业提取的。大部分的钴矿都产自刚果民主共和国,那里出产全世界60%的钴。这些地雷经常通过破坏生境、侵蚀、土壤和水污染影响周围环境。还有人担心,随着电池需求的上升,陆地采矿,尤其是在政治不稳定的国家,可能无法提供足够的这些材料。

海洋的位于夏威夷和美国西海岸——也被称为号角大学断裂带——据估计,拥有6倍的钴和镍三倍比所有已知的陆基商店,以及巨大的锰和大量铜的沉积。

虽然海底有丰富的这些物质,但人们对在海平面以下15 000英尺处采矿的短期和长期环境影响所知甚少。皮科克和他的合作者、斯克里普斯海洋学研究所和加州大学圣地亚哥分校的马修·阿尔福德教授正在领导一项研究,以了解从海底采集的结核所产生的沉积物羽状物是如何被水流携带的。

“关键问题是,如果我们决定在a点形成烟柱,它会扩散到多远的地方,然后最终落到海底?””阿尔弗德解释道。“绘制海底采矿影响地理分布的能力目前是一个关键的未知数。”

皮科克和阿尔福德正在进行的研究将有助于让利益相关者了解深海采矿对环境的潜在影响。一个紧迫的问题是,国际海底管理局(ISA)目前正在谈判关于在国家管辖范围以外的地区开采深海采矿的条例草案。国际海底管理局是联合国设立的一个独立组织,负责管理海底的所有采矿活动。皮科克和阿尔福德的研究将有助于指导根据这些条例颁布的环境标准和准则的制定。

麻省理工学院END实验室的博士生卡洛斯·穆尼奥斯·罗约(Carlos Munoz Royo)表示:“我们有一个独特的机会,可以帮助监管机构和其他相关方利用我们的数据和模型来评估监管草案,在监管开始之前,我们对我们的行动造成的影响感到遗憾。”

跟踪水羽

在深海采矿中,收集车将从船上展开。然后,收集车行驶到1.5万英尺深的海底,在那里收集海底的顶部4英寸。这个过程产生了一种称为收集器羽流的羽流。

皮科克解释说:“当收集器在海床上移动时,它搅动了沉积物,并产生了沉积物云,或称为羽状物,被洋流带走并分布。”

采集车收集结核,通过管道将其泵回船上。在船上,可用的结核从不需要的沉积物中分离出来。这些沉积物被输送回海洋,形成第二羽流,也就是所谓的排放羽流。

皮科克与机械工程和海洋科学与工程教授皮埃尔·勒穆索(Pierre Lermusiaux)、地球、大气和行星科学教授格伦·弗莱伊尔(Glenn Flierl)合作,建立了数学模型,预测这两股羽流在水中的运动。

为了测试这些模型,“孔雀”号开始追踪太平洋海底采矿所产生的实际羽流。在麻省理工学院ESI的资助下,他开始了首次对这些羽状物的实地研究。与他同行的还有麻省理工学院的高级研究工程师阿尔福德(Alford)和埃里克·亚当斯(Eric Adams),以及来自麻省理工学院、斯克里普斯和美国地质调查局(United States Geological Survey)的其他研究人员和工程师。

在加州大学船舶基金项目的资助下,该团队于2018年3月在美国海军R/V Sally Ride号上进行了为期一周的太平洋考察,在咨询ISA的情况下进行了实验。研究人员将沉积物与一种示踪染料混合,他们能够使用船上的传感器进行跟踪,这些传感器是由阿尔福德的多尺度海洋动力集团(Multiscale Ocean Dynamics group)开发的。在这样做的过程中,他们绘制出了一幅地幔柱移动的地图。

现场实验表明,皮科克和Lermusiaux开发的模型可以用来预测羽毛将如何在水中传播,并有助于更清楚地了解周围生物可能受到的影响。

对深海生物的影响

海底生物的移动速度非常缓慢。沉积物以每千年1毫米的速度积累。在这样一个缓慢的增长速度下,受到深海采矿干扰的地区不太可能在一个合理的时间范围内恢复。

“令人担忧的是,如果有一个特定于该地区的生物群落,它可能会不可挽回地受到采矿的影响,”皮科克解释说。

根据杜克大学生物海洋学教授Cindy Van Dover的说法,除了生活在结节内或其周围的生物外,在水柱的其他地方的生物也会受到影响。

她解释说:“可能是滤食结构堵塞,例如,水柱中的凝胶状生物,以及沉积物中的生物。”“也可能有一些金属进入了水柱,所以人们担心会有毒理学问题。”

皮科克对地幔柱的研究可以帮助像范多弗这样的生物学家评估深海采矿作业对周围生态系统的附带损害。

起草海上采矿条例

通过与麻省理工学院(MIT)政策实验室的联系,该学院是仅有的两所在ISA获得观察员地位的研究型大学之一。

“羽流研究非常重要,麻省理工学院正在帮助进行实验和开发羽流模型,这对国际海底管理局及其利益相关者的当前工作至关重要,”ISA的顾问Chris Brown解释道。布朗是去年秋天在麻省理工学院校园召开的深海采矿风险研讨会的几十位专家之一。

迄今为止,皮科克和阿尔福德进行的实地研究是关于中水羽的唯一海洋数据集,它有助于指导决策。了解羽流如何在水中移动的下一步将是跟踪由原型收集器产生的羽流。末端实验室的皮科克和他的团队正准备在2020年使用原型车参与一项主要的实地研究。

多亏了最近由“第11个小时”项目提供的资金,皮科克和勒穆索希望开发出能越来越准确预测深海采矿羽流将如何穿过海洋的模型。他们将继续与学术界同事、国际机构、非政府组织和承包商相互作用,以便更清楚地了解深海采矿对环境的影响。

皮科克说:“在对话的早期,让所有利益相关者参与进来,帮助我们做出明智的决定,这是很重要的,这样我们才能充分了解海洋采矿资源对环境的影响,并将其与陆地采矿资源对环境的影响进行比较。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/understanding-impact-deep-sea-mining-1206