“青島力量”攻堅(jiān)深海采礦技術(shù)裝備

采礦車：針對(duì)稀軟海床，設(shè)計(jì)研究出仿生水牛蹄履齒，可以有效增加其30%最大牽引力。為實(shí)現(xiàn)高效采集，陳旭光團(tuán)隊(duì)研發(fā)了新型雙排射流、附壁射流等采集頭，采集效率提高至96%。

研發(fā)深海羽流絮凝劑：2024年將產(chǎn)品搭載到“蛟龍”號(hào)上，在5000多米深的海底順利完成深海羽流絮凝實(shí)驗(yàn)。

今年政府工作報(bào)告提出，“開展新技術(shù)新產(chǎn)品新場(chǎng)景大規(guī)模應(yīng)用示范行動(dòng)，推動(dòng)商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)、深海科技等新興產(chǎn)業(yè)安全健康發(fā)展。”這是“深海科技”首次現(xiàn)身政府工作報(bào)告，充分彰顯了國家對(duì)發(fā)展深?？萍嫉闹匾暢潭?，體現(xiàn)了對(duì)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的進(jìn)一步深化。

深?？萍纪ǔＪ侵羔槍?duì)水深超過200米的深海區(qū)域，為探索、開發(fā)和利用深海資源以及研究深海環(huán)境的一系列先進(jìn)技術(shù)與裝備的總稱。東吳證券近日發(fā)布的研報(bào)將深?？萍级x為十萬億元量級(jí)市場(chǎng)，稱該產(chǎn)業(yè)未來有望成為經(jīng)濟(jì)新增長極。研報(bào)顯示，深?？萍甲鳛閲覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的核心領(lǐng)域，正從科研探索向產(chǎn)業(yè)化加速邁進(jìn)。

在涉海科研機(jī)構(gòu)高度集聚的青島，諸多研究團(tuán)隊(duì)都在聚焦深海科技發(fā)力，在深海探測(cè)、裝備制造、資源開發(fā)等領(lǐng)域不斷產(chǎn)出代表性成果。中國海洋大學(xué)陳旭光團(tuán)隊(duì)就是其中之一，致力于攻克關(guān)鍵技術(shù)難題，為深海采礦打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

要采礦，先“造車”

深海蘊(yùn)藏著地球上遠(yuǎn)未被認(rèn)知和開發(fā)的寶藏，但要得到這些寶藏，就必須在深海進(jìn)入、深海探測(cè)、深海開發(fā)方面掌握關(guān)鍵技術(shù)。

“高新科技和新能源產(chǎn)業(yè)對(duì)金屬礦產(chǎn)資源的需求日益增長，而陸地戰(zhàn)略金屬逐漸供不應(yīng)求，世界各國紛紛將資源戰(zhàn)略瞄向稀有金屬蘊(yùn)藏豐富的深海。多金屬結(jié)核（PMN）、多金屬硫化物（PMS）以及富鈷結(jié)殼（CFC），被視為陸地金屬礦產(chǎn)資源的潛在替代品，世界各國競(jìng)相開展深海采礦技術(shù)裝備研究。”談及開展深海采礦研究的背景，中國海洋大學(xué)教授陳旭光這樣說。

戰(zhàn)略金屬是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型不可或缺的戰(zhàn)略性資源。據(jù)世界銀行預(yù)測(cè)，到2050年，為將全球氣溫增幅控制在2℃以下，鈷、鎳、鋰等礦物需求量將增長超500%。研究顯示，從深海中獲取的金屬資源品質(zhì)和數(shù)量往往優(yōu)于陸地礦石，PMN、PMS和CFC尤其具備巨大的商業(yè)價(jià)值。美國地質(zhì)調(diào)查局指出，如果深海開采能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，截止2065年，人類對(duì)關(guān)鍵金屬需求的35%至45%將來自深海開采。

“國際海底管理局監(jiān)督和管理國際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源的勘探和開采。目前，全球超過17個(gè)國家和組織已在三大洋申請(qǐng)海底資源勘探合同區(qū)，國際海底管理局批準(zhǔn)設(shè)立了31個(gè)，其中我國擁有5個(gè)。”陳旭光說。他用一個(gè)具體的事例介紹海底礦產(chǎn)資源的價(jià)值：位于西太平洋的一個(gè)合同區(qū)，面積比山東省還大，土豆大小、富含礦物的多金屬結(jié)核散布海底，“我們計(jì)算了一下，每一個(gè)‘土豆’價(jià)值約一元人民幣。這相當(dāng)于，一塊山東省大小的海底區(qū)域，密密麻麻全是一元的硬幣。”

但要想把這些深海礦產(chǎn)資源高效開采出來，就必須研發(fā)出深海采礦技術(shù)與裝備。實(shí)際上，深海采礦商業(yè)化是否成功很大程度上取決于其技術(shù)與裝備的先進(jìn)性。這正是陳旭光團(tuán)隊(duì)的研究方向，關(guān)注深海采礦技術(shù)裝備發(fā)展，致力于深海多金屬結(jié)核開采研究。

采礦車是深海采礦的核心裝備之一，它行走在海床表面并進(jìn)行礦石收集作業(yè)。在中國海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，記者看到了陳旭光團(tuán)隊(duì)研發(fā)的采礦車樣機(jī)，正利用底盤上安裝的履帶在人工模擬的海底沉積物上進(jìn)行行走試驗(yàn)。“深海海底是極其軟黏的底質(zhì)，對(duì)采礦車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和行走性能提出了高要求。”陳旭光表示，他們從水牛蹄在沼澤地的行走中受到啟發(fā)，針對(duì)稀軟海床，設(shè)計(jì)研究出仿生水牛蹄履齒，可以有效增加其30%最大牽引力，提升深海稀軟土上履帶式礦車的牽引性能，為解決礦車沉陷、打滑問題打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

采礦車在海底“走得穩(wěn)”是基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高效采集是最終目的。陳旭光介紹，采礦車的收集方法主要分為機(jī)械收集和水力收集。機(jī)械收集利用旋轉(zhuǎn)鏈齒、梳狀鏟，像是用梳子把海底的礦物“梳”起來，雖然能耗較低，但容易損壞海底環(huán)境。水力收集包括抽吸式、附壁射流和雙排射流等方式，原理是通過抽吸或噴射水流等方式，將礦物“吸”入采礦車內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)沉積物層影響小、地形適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是能耗較高。目前，水力收集方法更受各國青睞。在國家杰出青年科學(xué)基金“海洋巖土力學(xué)與海底工程”、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海多金屬結(jié)核新型流態(tài)化采礦模式及其原理樣機(jī)研究”等項(xiàng)目支持下，陳旭光團(tuán)隊(duì)研發(fā)了新型雙排射流、附壁射流等采集頭，采集效率提高至96%。后續(xù)，他們將與招商局集團(tuán)等龍頭企業(yè)合作，進(jìn)一步提升采礦車的作業(yè)性能。

關(guān)心采集效率，也注重環(huán)境友好

在深海采礦方面，陳旭光團(tuán)隊(duì)聚焦采集效率的同時(shí)，也注重環(huán)境友好。

“深海采礦會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成諸多影響，例如海底開采活動(dòng)會(huì)改變底棲環(huán)境、干擾海底生物。”陳旭光說，這是全球面臨的共同問題，也是深海采礦尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)開采的一個(gè)重要原因。

陳旭光拿多金屬結(jié)核舉例說，這種礦產(chǎn)覆蓋在海底沉積物上，在開采該礦產(chǎn)的過程中，必然會(huì)對(duì)海底周圍環(huán)境造成擾動(dòng)。“業(yè)界把這里的海底沉積物稱為‘稀軟土’，顧名思義，就是半流體狀、軟弱的土。它主要是由海底火山灰、生物殘骸、宇宙塵埃等組成，顆粒細(xì)小，一般1至10微米左右。據(jù)研究，大約1000年沉積0.1至5毫米。”陳旭光說，采礦車一旦工作，容易擾動(dòng)海底沉積物，讓海底沉積物如同塵埃一樣四散，引發(fā)煙霧狀的深海羽流，就像“深海霧霾”。

多國研究顯示，采礦車攪起的深海羽流借助洋流可能會(huì)擴(kuò)散數(shù)十公里，導(dǎo)致濾食生物窒息。此外，采礦系統(tǒng)泵機(jī)作業(yè)時(shí)連續(xù)轟鳴，噪音容易干擾鯨類之間的聲吶通信。海底生物生長緩慢，采礦區(qū)的恢復(fù)或許需要數(shù)百年甚至上千年。

從減少擾動(dòng)的角度出發(fā)，陳旭光帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)著力攻關(guān)，努力在海底采礦的同時(shí)，抑制海底沉積物形成深海羽流，或讓形成的深海羽流快速沉降。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了三年的實(shí)驗(yàn)，以降低生成、抑制擴(kuò)散和加速沉降作為關(guān)注點(diǎn)，研發(fā)讓深海羽流快速絮凝的羽流抑制產(chǎn)品。

“簡單來說，就是研發(fā)一個(gè)設(shè)備和一種噴劑，通過在深海噴灑的方式，把深海羽流中的小顆?？焖倬奂纱箢w粒，使其通過自身重力快速沉降到海底。”陳旭光解釋說，他們最初以陸源材料進(jìn)行研發(fā)，但后來考慮到國際海洋界拒絕陸源物質(zhì)進(jìn)入深海，特別是進(jìn)入深海海底，于是轉(zhuǎn)變方向，最終以海藻為原料，研發(fā)出了具有“綠色”屬性的深海羽流絮凝劑。

隨后，陳旭光團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了絮凝劑模擬實(shí)驗(yàn)。2024年，又將產(chǎn)品搭載到“蛟龍”號(hào)上，在5000多米深的海底順利完成深海羽流絮凝實(shí)驗(yàn)。“你看，噴灑絮凝劑后，一個(gè)個(gè)細(xì)小的深海顆粒物很快‘抱團(tuán)’、絮凝，形成了類似果凍的質(zhì)地，很快就沉降了。”陳旭光拿出“蛟龍”號(hào)拍攝的視頻證實(shí)他們的產(chǎn)品效果，“這為解決深海采礦環(huán)境擾動(dòng)問題提出了一個(gè)新思路和新方法：絮凝促沉降的深海羽狀流抑制方法。”

眼下，陳旭光還在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)深海羽流抑制裝置進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。“目前，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里制備絮凝劑的成本還比較高，希望隨著工藝的改進(jìn)、應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，價(jià)格能不斷降低，未來真正服務(wù)于深海采礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”他展望說。