Wat zal de impact op de oceaan zijn als mensen de diepzee gaan ontginnen? Het is een vraag die steeds urgenter wordt naarmate de belangstelling voor mariene mineralen is toegenomen.

De diepzeebodem van de oceaan is bezaaid met oude rotsen ter grootte van een aardappel die "polymetallische knobbeltjes" worden genoemd en die nikkel- en kobaltmineralen bevatten waar veel vraag naar is voor de productie van batterijen, zoals voor het aandrijven van elektrische voertuigen en het opslaan van hernieuwbare energie, en als reactie op factoren zoals toenemende verstedelijking. De diepe oceaan bevat enorme hoeveelheden met mineralen beladen knobbeltjes, maar de impact van het delven van de oceaanbodem is zowel onbekend als zeer omstreden.

Nu hebben oceaanwetenschappers van het MIT enig licht op het onderwerp geworpen, met een nieuwe studie over de wolk van sediment die een verzamelvoertuig zou opwekken als het knobbeltjes van de zeebodem oppikt.

De studie, die verschijnt in Science Advances, rapporteert de resultaten van een onderzoekscruise in 2021 naar een regio van de Stille Oceaan die bekend staat als de Clarion Clipperton Zone (CCZ), waar polymetallische knobbeltjes in overvloed aanwezig zijn. Daar rustten onderzoekers een pre-prototype verzamelvoertuig uit met instrumenten om verstoringen van de sedimentpluim te volgen terwijl het voertuig over de zeebodem manoeuvreerde, 4.500 meter onder het oppervlak van de oceaan. Door een opeenvolging van zorgvuldig uitgedachte manoeuvres. de MIT-wetenschappers gebruikten het voertuig om zijn eigen sedimentwolk te bewaken en zijn eigenschappen te meten.

Hun metingen toonden aan dat het voertuig in zijn kielzog een dichte pluim van sediment creëerde, die zich onder zijn eigen gewicht verspreidde, in een fenomeen dat in de vloeistofdynamica bekend staat als een 'troebelheidsstroom'. Terwijl het zich geleidelijk verspreidde, bleef de pluim relatief laag en bleef binnen 2 meter van de zeebodem, in plaats van onmiddellijk hoger in de waterkolom te stijgen, zoals werd verondersteld.

"Het is een heel ander beeld van hoe deze pluimen eruit zien, vergeleken met sommige vermoedens", zegt co-auteur Thomas Peacock, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT. "De modelleringsinspanningen van diepzeemijnbouwpluimen zullen rekening moeten houden met deze processen die we hebben geïdentificeerd, om hun omvang te beoordelen."

De co-auteurs van de studie zijn hoofdauteur Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon en Souha El Mousadik van MIT; en Matthew Alford van de Scripps Institution of Oceanography.

Diepzeemanoeuvres

Om polymetallische knollen te verzamelen, stellen sommige mijnbouwbedrijven voor om voertuigen ter grootte van een tractor op de bodem van de oceaan te plaatsen. De voertuigen zouden de knobbeltjes samen met wat sediment langs hun pad opzuigen. De knobbeltjes en het sediment zouden dan in het voertuig worden gescheiden, waarbij de knobbeltjes door een stijgleiding naar een oppervlakteschip worden gestuurd, terwijl het meeste sediment direct achter het voertuig zou worden afgevoerd.

Peacock en zijn groep hebben eerder de dynamiek bestudeerd van de sedimentpluim die geassocieerde oppervlakte-operatievaartuigen terug in de oceaan kunnen pompen. In hun huidige onderzoek richtten ze zich op het andere uiteinde van de operatie, om de sedimentwolk te meten die door de verzamelaars zelf werd gecreëerd.

In april 2021 nam het team deel aan een expeditie onder leiding van Global Sea Mineral Resources NV (GSR), een Belgische aannemer van waterbouwkunde die de CCZ onderzoekt naar manieren om metaalrijke knollen te winnen. Een in Europa gevestigd wetenschappelijk team, Mining Impacts 2, voerde parallel ook afzonderlijke onderzoeken uit. De cruise was de eerste in meer dan 40 jaar die een "pre-prototype" verzamelvoertuig in de CCZ testte. De machine, Patania II genaamd, is ongeveer 3 meter hoog, heeft een breedte van 4 meter en is ongeveer een derde van wat een voertuig op commerciële schaal naar verwachting zal zijn.

Terwijl de aannemer de knollenverzamelprestaties van het voertuig testte, volgden de MIT-wetenschappers de sedimentwolk die in het kielzog van het voertuig werd gecreëerd. Ze deden dit met behulp van twee manoeuvres waarvoor het voertuig was geprogrammeerd:een 'selfie' en een 'drive-by'.

Beide manoeuvres begonnen op dezelfde manier:het voertuig vertrok in een rechte lijn en alle afzuigsystemen waren ingeschakeld. De onderzoekers lieten het voertuig 100 meter rijden en verzamelden eventuele knobbeltjes op zijn pad. Toen, in de "selfie" -manoeuvre, stuurden ze het voertuig om de zuigsystemen uit te schakelen en terug te keren om door de wolk van sediment te rijden die het net had gecreëerd. De geïnstalleerde sensoren van het voertuig hebben de concentratie van sediment gemeten tijdens deze "selfie" -manoeuvre, waardoor de wetenschappers de wolk binnen enkele minuten nadat het voertuig het had aangewakkerd in de gaten konden houden.

Voor de "drive-by" -manoeuvre plaatsten de onderzoekers een met sensoren beladen ligplaats op 50 tot 100 meter van de geplande sporen van het voertuig. Terwijl het voertuig langs het verzamelen van knobbeltjes reed, creëerde het een pluim die zich uiteindelijk na een uur of twee langs de ligplaats verspreidde. Deze "drive-by" -manoeuvre stelde het team in staat om de sedimentwolk over een langere tijdschaal van enkele uren te volgen en de evolutie van de pluim vast te leggen.

Uit stoom

Tijdens meerdere voertuigritten konden Peacock en zijn team de evolutie van de sedimentpluim die door het diepzeemijnvoertuig werd gecreëerd meten en volgen.

"We zagen dat het voertuig in helder water zou rijden en de knobbeltjes op de zeebodem zouden zien", zegt Peacock. "En dan komt er plotseling een zeer scherpe sedimentwolk door wanneer het voertuig de pluim binnengaat."

Aan de hand van de selfie-beelden observeerde het team een ​​gedrag dat was voorspeld door enkele van hun eerdere modelstudies:het voertuig bracht een zware hoeveelheid sediment in beweging die zo dicht was dat het, zelfs na enige vermenging met het omringende water, een pluim opwekte die gedroeg zich bijna als een afzonderlijke vloeistof, die zich onder zijn eigen gewicht verspreidde in wat bekend staat als een troebelheidsstroom.

"De troebelheidsstroom verspreidt zich onder zijn eigen gewicht gedurende enige tijd, tientallen minuten, maar terwijl het dat doet, zet het sediment af op de zeebodem en raakt uiteindelijk uitgeput", zegt Peacock. "Daarna worden de oceaanstromingen sterker dan de natuurlijke verspreiding, en het sediment gaat over in de zeestromingen."

Tegen de tijd dat het sediment langs de ligplaats dreef, schatten de onderzoekers dat 92 tot 98 procent van het sediment ofwel weer neerzakte of binnen 2 meter van de zeebodem bleef als een laaggelegen wolk. Er is echter geen garantie dat het sediment altijd daar blijft in plaats van verder omhoog in de waterkolom te drijven. Recente en toekomstige studies van het onderzoeksteam onderzoeken deze vraag, met als doel het begrip voor diepzeemijnbouwsedimentpluimen te consolideren.

"Onze studie verduidelijkt de realiteit van hoe de eerste sedimentverstoring eruitziet als je een bepaald type knollenmijnbouw hebt", zegt Peacock. "Het grote voordeel is dat er complexe processen zijn zoals troebelheidsstromen die plaatsvinden wanneer je dit soort verzameling doet. Dus elke poging om de impact van een diepzeemijnbouw te modelleren, zal deze processen moeten vastleggen." + Verder verkennen

Wat gebeurt er met sedimentpluimen die verband houden met diepzeemijnbouw?