Op het bureau van Thomas Peacock rust een gewoon ogende bruine rots. Ongeveer zo groot als een aardappel, het staat centraal in tientallen jaren van debat. Bekend als een polymetallische knobbel, het heeft 10 miljoen jaar op de diepe zeebodem gezeten, 15, 000 voet onder zeeniveau. De knobbel bevat nikkel, kobalt, koper, en mangaan - vier mineralen die essentieel zijn voor energieopslag.

"Naarmate de samenleving steeds meer elektrische voertuigen gaat rijden en hernieuwbare energie gaat gebruiken, zal er een grotere vraag naar deze mineralen zijn, om de batterijen te produceren die nodig zijn om de economie koolstofarm te maken, " zegt Pauw, een professor in de werktuigbouwkunde en de directeur van MIT's Environmental Dynamics Lab (END Lab). Hij maakt deel uit van een internationaal team van onderzoekers dat heeft geprobeerd een beter inzicht te krijgen in de milieu-impact van het verzamelen van polymetallische knobbeltjes, een proces dat bekend staat als diepzeemijnbouw.

De mineralen die in de knobbeltjes worden gevonden, met name kobalt en nikkel, zijn de belangrijkste componenten van lithium-ionbatterijen. Momenteel, lithium-ionbatterijen bieden de beste energiedichtheid van alle in de handel verkrijgbare batterijen. Deze hoge energiedichtheid maakt ze ideaal voor gebruik in alles, van mobiele telefoons tot elektrische voertuigen, die grote hoeveelheden energie vergen in een compacte ruimte.

"Die twee elementen zullen naar verwachting een enorme groei van de vraag zien als gevolg van energieopslag, " zegt Richard Roth, directeur van MIT's Materials Systems Laboratory.

Terwijl onderzoekers alternatieve batterijtechnologieën onderzoeken, zoals natrium-ionbatterijen en flowbatterijen die gebruikmaken van elektrochemische cellen, deze technologieën zijn verre van commercialisering.

"Weinig mensen verwachten dat een van deze lithium-ion-alternatieven in het komende decennium beschikbaar zal zijn, " legt Roth uit. "Wachten op onbekende toekomstige batterijchemie en -technologieën zou de wijdverbreide acceptatie van elektrische voertuigen aanzienlijk kunnen vertragen."

Er zullen ook enorme hoeveelheden speciaal nikkel nodig zijn om batterijen op grotere schaal te bouwen die nodig zullen zijn nu samenlevingen willen overschakelen van een elektriciteitsnet dat wordt aangedreven door fossiele brandstoffen naar een elektriciteitsnet dat wordt aangedreven door hernieuwbare bronnen zoals zonne-energie, wind, Golf, en thermisch.

"Het verzamelen van knobbeltjes van de zeebodem wordt beschouwd als een nieuw middel om deze materialen te verkrijgen, maar alvorens dit te doen, is het absoluut noodzakelijk om de milieu-impact van mijnbouwbronnen uit de diepe oceaan volledig te begrijpen en deze te vergelijken met de milieu-impact van mijnbouwbronnen op het land, " legt Pauw uit.

Na het ontvangen van startfinanciering van MIT's Environmental Solutions Initiative (ESI), Peacock kon zijn expertise op het gebied van vloeistofdynamica toepassen om te bestuderen hoe diepzeemijnbouw omliggende ecosystemen zou kunnen beïnvloeden.

Voldoen aan de vraag naar energieopslag

Momenteel, nikkel en kobalt worden gewonnen via mijnbouwactiviteiten op het land. Een groot deel van deze mijnbouw vindt plaats in de Democratische Republiek Congo, die 60 procent van 's werelds kobalt produceert. Deze landmijnen hebben vaak een impact op de omliggende omgevingen door de vernietiging van habitats, erosie, en bodem- en waterverontreiniging. Er zijn ook zorgen dat mijnbouw op het land, vooral in politiek instabiele landen, mogelijk niet voldoende van deze materialen kunnen leveren naarmate de vraag naar batterijen stijgt.

De strook oceaan tussen Hawaï en de westkust van de Verenigde Staten - ook bekend als de Clarion Clipperton Fracture Zone - bevat naar schatting zes keer meer kobalt en drie keer meer nikkel dan alle bekende winkels op het land, evenals enorme afzettingen van mangaan en een aanzienlijke hoeveelheid koper.

Hoewel de zeebodem rijk is aan deze materialen, er is weinig bekend over de milieueffecten van mijnbouw op korte en lange termijn 15, 000 voet onder zeeniveau. Peacock en zijn medewerker professor Matthew Alford van de Scripps Institution of Oceanography en de University of California in San Diego leiden de zoektocht om te begrijpen hoe de sedimentpluimen die worden gegenereerd door het verzamelen van knobbeltjes uit de zeebodem door waterstromingen zullen worden gedragen.

"De belangrijkste vraag is als we besluiten een pluim te maken op locatie A, hoe ver verspreidt het zich voordat het uiteindelijk op de zeebodem regent?" legt Alford uit. "Dat vermogen om de geografie van de impact van zeebodemmijnbouw in kaart te brengen, is op dit moment een cruciale onbekende."

Het onderzoek dat Peacock en Alford uitvoeren, zal belanghebbenden helpen informeren over de mogelijke milieueffecten van diepzeemijnbouw. Een dringende kwestie is dat momenteel wordt onderhandeld door de International Seabed Authority (ISA), een door de Verenigde Naties opgerichte onafhankelijke organisatie die alle mijnbouwactiviteiten op de zeebodem reguleert. Het onderzoek van Peacock en Alford zal helpen bij de ontwikkeling van milieunormen en richtlijnen die op grond van die voorschriften moeten worden uitgevaardigd.

"We hebben een unieke kans om regelgevers en andere betrokken partijen te helpen bij het beoordelen van ontwerpregelgeving met behulp van onze gegevens en modellering, voordat de operaties beginnen en we betreuren de impact van onze activiteit, " zegt Carlos Munoz Royo, een doctoraat student in MIT's END Lab.

Pluimen in het water volgen

In diepzeemijnbouw, een collector voertuig zou worden ingezet vanaf een schip. Het verzamelvoertuig rijdt dan 15, 000 voet naar de zeebodem, waar het de bovenste tien centimeter van de zeebodem opzuigt. Dit proces creëert een pluim die bekend staat als een verzamelpluim.

"Terwijl de verzamelaar over de zeebodem beweegt, het roert sediment op en creëert een sedimentwolk, of pluim, die wordt meegesleept en verspreid door oceaanstromingen, " legt Pauw uit.

Het verzamelvoertuig raapt de knobbeltjes op, die via een leiding terug naar het schip worden gepompt. Op het schip, bruikbare knobbeltjes worden gescheiden van ongewenst sediment. Dat sediment wordt teruggevoerd naar de oceaan, het creëren van een tweede pluim, bekend als een afvoerpluim.

Peacock werkte samen met Pierre Lermusiaux, hoogleraar werktuigbouwkunde en oceaanwetenschap en -techniek, en Glenn Flierl, hoogleraar aarde, atmosferisch, en planetaire wetenschappen, om wiskundige modellen te maken die voorspellen hoe deze twee pluimen door het water reizen.

Om deze modellen te testen, Peacock ging op zoek naar echte pluimen die zijn ontstaan ​​​​door de bodem van de Stille Oceaan te ontginnen. Met financiering van MIT ESI, hij begon aan de allereerste veldstudie van dergelijke pluimen. Hij werd vergezeld door Alford en Eric Adams, senior onderzoeksingenieur bij MIT, evenals andere onderzoekers en ingenieurs van MIT, Scrips, en de United States Geological Survey.

Met financiering van het UC Ship Funds-programma, het team voerde experimenten uit in overleg met de ISA tijdens een expeditie van een week in de Stille Oceaan aan boord van de US Navy R/V Sally Ride in maart 2018. De onderzoekers mengden sediment met een tracerkleurstof die ze konden volgen met behulp van sensoren op het ontwikkelde schip door Alford's Multiscale Ocean Dynamics-groep. Daarbij, ze maakten een kaart van de reizen van de pluimen.

De veldexperimenten toonden aan dat de modellen die Peacock en Lermusiaux ontwikkelden, kunnen worden gebruikt om te voorspellen hoe pluimen door het water zullen reizen - en een duidelijker beeld kunnen geven van hoe de omringende biologie kan worden beïnvloed.

Impact op diepzee-organismen

Het leven op de oceaanbodem beweegt in een ijzig tempo. Sediment hoopt zich elk millennium op met een snelheid van 1 millimeter. Met zo'n langzame groei, gebieden die door diepzeemijnbouw worden verstoord, zich binnen een redelijke termijn waarschijnlijk niet zullen herstellen.

"De zorg is dat als er een biologische gemeenschap is die specifiek is voor het gebied, het kan onherstelbaar worden beïnvloed door mijnbouw, " legt Pauw uit.

Volgens Cindy Van Dover, hoogleraar biologische oceanografie aan de Duke University, naast organismen die in of rond de knobbeltjes leven, andere organismen elders in de waterkolom kunnen worden aangetast als de pluimen reizen.

"Er kan verstopping zijn van filtervoedingsstructuren van, bijvoorbeeld, gelatineuze organismen in de waterkolom, en het begraven van organismen op het sediment, " legt ze uit. "Er kunnen ook metalen in de waterkolom komen, dus er zijn zorgen over toxicologie."

Peacock's onderzoek naar pluimen zou biologen zoals Van Dover kunnen helpen bij het beoordelen van nevenschade door diepzeemijnbouwactiviteiten in omliggende ecosystemen.

Opstellen van voorschriften voor de winning van de zee

Door verbindingen met het Policy Lab van MIT, het Instituut is een van de slechts twee onderzoeksuniversiteiten met de status van waarnemer bij de ISA.

"Het pluimonderzoek is erg belangrijk, en MIT helpt bij het experimenteren en ontwikkelen van pluimmodellen, die van vitaal belang is om het huidige werk van de Internationale Zeebodemautoriteit en haar belanghebbenden te informeren, " legt Chris Brown uit, een adviseur bij de ISA. Brown was een van de tientallen experts die afgelopen herfst op de campus van MIT bijeenkwamen voor een workshop over de risico's van diepzeemijnbouw.

Daten, het veldonderzoek dat Peacock en Alford hebben uitgevoerd, is de enige oceaandataset over midwaterpluimen die bestaat om de besluitvorming te begeleiden. De volgende stap om te begrijpen hoe pluimen door het water bewegen, is het volgen van pluimen die worden gegenereerd door een prototype van een verzamelvoertuig. Peacock en zijn team in het END Lab bereiden zich voor om in 2020 deel te nemen aan een groot veldonderzoek met een prototype voertuig.

Dankzij recente financiering van het 11th Hour Project, Peacock en Lermusiaux hopen modellen te ontwikkelen die steeds nauwkeurigere voorspellingen geven over hoe diepzeemijnpluimen door de oceaan zullen reizen. Ze zullen blijven communiceren met academische collega's, internationale agentschappen, NGO's, en aannemers om een ​​duidelijker beeld te krijgen van de milieu-impact van diepzeemijnbouw.

"Het is belangrijk om al vroeg in het gesprek input te hebben van alle belanghebbenden om weloverwogen beslissingen te nemen, zodat we de milieu-impact van mijnbouwbronnen uit de oceaan volledig kunnen begrijpen en deze kunnen vergelijken met de milieu-impact van mijnbouwbronnen op het land, ' zegt Pauw.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.