In bepaalde delen van de diepe oceaan, verspreid over de zeebodem, liggen rotsen ter grootte van een honkbal, gelaagd met mineralen die zich in de loop van miljoenen jaren hebben opgehoopt. Een gebied in de centrale Stille Oceaan, genaamd de Clarion Clipperton Fracture Zone (CCFZ), wordt geschat op enorme reserves van deze rotsen, bekend als "polymetallische knobbeltjes, " die rijk zijn aan nikkel en kobalt-mineralen die gewoonlijk op het land worden gewonnen voor de productie van lithium-ionbatterijen in elektrische voertuigen, laptops, en mobiele telefoons.

Naarmate de vraag naar deze batterijen stijgt, inspanningen gaan vooruit om de oceaan te ontginnen voor deze mineraalrijke knobbeltjes. Dergelijke diepzeemijnbouwplannen stellen voor om voertuigen ter grootte van een tractor naar beneden te sturen om knollen op te zuigen en naar de oppervlakte te sturen, waar een schip ze zou schoonmaken en ongewenst sediment terug in de oceaan zou lozen. Maar de effecten van diepzeemijnbouw - zoals het effect van geloosd sediment op mariene ecosystemen en hoe deze effecten zich verhouden tot traditionele mijnbouw op het land - zijn momenteel onbekend.

Nu oceanografen aan het MIT, het Scripps-instituut voor oceanografie, en elders hebben voor het eerst een experiment op zee uitgevoerd om de turbulente sedimentpluim te bestuderen die mijnschepen mogelijk terug in de oceaan zouden vrijgeven. Op basis van hun observaties, ze ontwikkelden een model dat realistische voorspellingen doet van hoe een sedimentpluim die wordt gegenereerd door mijnbouwactiviteiten door de oceaan zou worden getransporteerd.

Het model voorspelt de grootte, concentratie, en evolutie van sedimentpluimen onder verschillende mariene en mijnbouwomstandigheden. Deze voorspellingen, zeggen de onderzoekers, kunnen nu door biologen en milieuregelgevers worden gebruikt om te peilen of en in welke mate dergelijke pluimen het omringende zeeleven zouden beïnvloeden.

"Er wordt veel gespeculeerd over de milieu-impact van [diepzeemijnbouw], " zegt Thomas Pauw, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT. "Onze studie is de eerste in zijn soort op deze midwaterpluimen, en kan een belangrijke bijdrage leveren aan de internationale discussie en de ontwikkeling van regelgeving in de komende twee jaar."

De studie van het team verschijnt vandaag in Natuurcommunicatie:aarde en milieu .

Peacock's co-auteurs bij MIT zijn onder meer hoofdauteur Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon, Chinmay Kulkarni, Patrick Haley, Chris Mirabito, Rohit Supekar, Andrew Rzeznik, Erik Adams, Cindy Wang, en Pierre Lermusiaux, samen met medewerkers van Scripps, de U.S. Geological Survey, en onderzoekers in België en Zuid-Korea.

Op zee

De huidige voorstellen voor diepzeemijnbouw zullen naar verwachting twee soorten sedimentpluimen in de oceaan genereren:"collectorpluimen" die voertuigen genereren op de zeebodem terwijl ze rondrijden om knobbeltjes te verzamelen 4, 500 meter onder het oppervlak; en mogelijk "midwaterpluimen" die worden afgevoerd via pijpen die afdalen 1, 000 meter of meer in de afotische zone van de oceaan, waar zonlicht zelden doordringt.

In hun nieuwe studie Peacock en zijn collega's concentreerden zich op de middenwaterpluim en hoe het sediment zich zou verspreiden als het eenmaal uit een pijp zou zijn geloosd.

"De wetenschap van de pluimdynamiek voor dit scenario is gegrond, en ons doel was om het dynamische regime voor dergelijke pluimen duidelijk vast te stellen om discussies goed te informeren, " zegt Pauw, die de directeur is van het Environmental Dynamics Laboratory van MIT.

Om deze dynamiek in kaart te brengen, het team ging de zee op. in 2018, de onderzoekers gingen aan boord van het onderzoeksschip Sally Ride en zetten koers op 50 kilometer voor de kust van Zuid-Californië. Ze brachten apparatuur mee die ontworpen was om sediment 60 meter onder het oceaanoppervlak af te voeren.

"Met behulp van fundamentele wetenschappelijke principes uit de vloeistofdynamica, we hebben het systeem zo ontworpen dat het een pluim op commerciële schaal volledig reproduceert, zonder naar 1 te hoeven 000 meter of enkele dagen uitvaren naar het midden van de CCFZ, ' zegt Pauw.

Gedurende een week voerde het team in totaal zes pluimexperimenten uit, met behulp van nieuwe sensorsystemen zoals een Phased Array Doppler Sonar (PADS) en epsiometer ontwikkeld door Scripps-wetenschappers om te volgen waar de pluimen reisden en hoe ze evolueerden in vorm en concentratie. Uit de verzamelde gegevens bleek dat het sediment, wanneer het voor het eerst uit een pijp wordt gepompt, was een zeer turbulente wolk van zwevende deeltjes die zich snel vermengde met het omringende oceaanwater.

"Er werd gespeculeerd dat dit sediment grote aggregaten zou vormen in de pluim die relatief snel zouden bezinken in de diepe oceaan, Zegt Peacock. "Maar we ontdekten dat de ontlading zo turbulent is dat het het sediment in de fijnste samenstellende stukken breekt, en daarna wordt het zo snel verdund dat het sediment dan geen kans krijgt om aan elkaar te kleven."

Verdunning

Het team had eerder een model ontwikkeld om de dynamiek te voorspellen van een pluim die in de oceaan zou worden geloosd. Toen ze de beginvoorwaarden van het experiment in het model invoerden, het produceerde hetzelfde gedrag dat het team op zee observeerde, wat bewijst dat het model de pluimdynamiek in de buurt van de ontlading nauwkeurig kan voorspellen.

De onderzoekers gebruikten deze resultaten om de juiste input te leveren voor simulaties van oceaandynamiek om te zien hoe ver stromingen de aanvankelijk vrijgelaten pluim zouden dragen.

"Bij een commerciële operatie het schip loost altijd nieuw sediment. Maar tegelijkertijd vermengt de achtergrondturbulentie van de oceaan altijd dingen. Zo kom je tot een evenwicht. Er is een natuurlijk verdunningsproces in de oceaan dat de schaal van deze pluimen bepaalt, Peacock zegt. "De sleutel tot het bepalen van de omvang van de pluimen is de sterkte van de turbulentie van de oceaan, de hoeveelheid sediment die wordt afgevoerd, en het milieudrempelniveau waarbij er sprake is van impact."

Op basis van hun bevindingen, de onderzoekers hebben formules ontwikkeld om de omvang van een pluim te berekenen, afhankelijk van een bepaalde omgevingsdrempel. Bijvoorbeeld, als regelgevers bepalen dat een bepaalde concentratie van sedimenten schadelijk kan zijn voor het omringende zeeleven, de formule kan worden gebruikt om te berekenen hoe ver een pluim boven die concentratie zou reiken, en welk volume oceaanwater zou worden beïnvloed in de loop van een 20-jarige knollenmijnbouw.

"De kern van de milieukwestie rond diepzeemijnbouw is de omvang van sedimentpluimen, "zegt Peacock. "Het is een multischaalprobleem, van sedimenten op micronschaal, tot turbulente stromingen, tot oceaanstromingen over duizenden kilometers. Het is een grote puzzel, en we zijn uniek toegerust om aan dat probleem te werken en antwoorden te bieden die zijn gebaseerd op wetenschap en gegevens."

Het team werkt nu aan collectorpluimen, onlangs teruggekeerd van enkele weken op zee om de eerste milieumonitoring van een voertuig voor het verzamelen van knollen in de diepe oceaan in meer dan 40 jaar uit te voeren.

Dit onderzoek werd mede ondersteund door het MIT Environmental Solutions Initiative, het UC Ship Time-programma, het MIT Beleidslab, het 11th Hour Project van de Schmidt Family Foundation, het Benioff Ocean-initiatief, en Fundación Bancaria "la Caixa."

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.