首次突破4102.8米!深海采矿为何如此重要?

7月9日,界面新闻自“开拓二号”深海采矿车海试重大成果发布活动上获悉由上海交通大学自主研制的深海重载作业采矿车工程样机“开拓二号”,最深着底4102.8米,深海矿物开采试验海试期间,共获得约200kg多金属结壳、多金属结核、基岩等各类深海矿产样品。成功完成深海试验航次后,团队搭乘“向阳红03”号科考船顺利返回厦门

深海采矿车“开拓二号”于6月19日启航,6月28日返航,全程历时共10天,航程1840多公里。在西太平洋多金属结壳与结核海区,开展海底行进、矿物开采、布放回收等全系统联调联试,海试水深2000-4000米

“开拓二号”。摄影:界面新闻记者陈振芳

6月22日-26日,“开拓二号”在4级海况、6级风条件下,连续每天完成1个潜次,系统稳定运行,充分验证稳定性、可靠性共成功完成5个潜次,其中2000米级4次,4000米级1次,最大水深4102.8米创国内深海采矿纪录

这一工作海试首席科学家、上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院教授杨建民团队主导完成。

深海矿产资源是中国资源安全的重要保障具有种类多储量大品质好等特点。具体来看,深海蕴藏76种矿产仅太平洋海底含约30亿吨钴,相当于陆地储量3000倍金属含量30%-50%

中国是世界最大矿产资源消费国作为战略性矿产资源国内80%以上工业原材料来源,对保障国家经济安全和国防安全发挥不可替代作用当前,中国部分资源对外依存度居高不下其中钴、镍、铜等紧缺关键矿产分别高达98%、91%和75%

根据国际能源署数据,到2030年,钴的需求预计比目前高10倍,每年达10.1万吨,加之各国积极政策,甚至可能高达29.1万吨,是目前25倍

五项技术突破,“开拓二号”创多项纪录

数干米深海高压、黑暗极端环境中,深海重载作业装备研发面临海底矿物高效开采难海底重载安全行进难深海重载作业控制难深海重载布放口收难深海环境影响监测五大难题

“海底地形崎岖,海况条件比较复杂,海底采矿装备不仅需要在这样的环境中来去自如,还要具备开采和收集能力,并且能有效地回收,这其中的每一个环节,都要经过海试的考验。”杨建民介绍说

据杨建民现场介绍,此次“开拓二号”在4100米稀软沉积物海底,克服打滑、陷泥,实现稳定、大曲率自主行进深海矿物开采试验在2000米多金属结壳海山区域,完成结壳开采试验,获得结壳矿岩、颗粒样品在4100米多金属结核海区,完成结核水力收集试验,获得大量多金属结核样品

深海矿产样品。摄影:界面新闻记者陈振芳

长期以来,深海采矿在国际上存在三大技术难题:一是矿区海底地形异常复杂,装备安全行进困难;二是深海矿产赋存形式与物理特性复杂多样,高效开采收集困难;三是深海重载作业装备在海上风浪条件下,安全布放回收困难。

这次深海试验,“开拓二号”在海底多金属结壳与结核矿区,连续成功完成了5次下潜,其中4000米级深度1次,2000米级深度4次,采矿车分别达到了1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米等深海海底,这是国内深海重载作业采矿车首次在4000米以深海底开展深海矿产资源试开采试验。

无论是坡度达30多度的陡峭、崎岖海山,还是由高粘性稀软沉积物堆积的海底“滩涂”,“开拓二号”都能顺利行进、爬坡和原地回转。

为了让采矿车的行进更加自由,团队研发了相关技术,不需要任何人工操控,可以自主感知采矿环境,四条履带能够根据海底实际地形实时调整方向和状态,适应海底复杂地形行走的需要,这一技术也是国内首创。

值得一提的是,此次“开拓二号”的研发首创国内同类研究的五大关键技术:

随船参加海试的青岛海洋地质研究所深海地质与矿产室副主任黄威表示,“开拓二号”具备高效、稳定地采集深海多金属结壳矿石的能力,针对附着在斜坡基岩之上的多金属结壳,它的切削能力可以把结壳和基岩快速分离开,高效地把结壳矿石吸入集矿箱。

摄影:界面新闻记者陈振芳

该深海采矿车的爬坡和避障能力可以让它在复杂地形环境下实现多方向进行,从而大范围覆盖结壳矿区,提升矿石采收率。

深海采矿车的布放与回收技术难点。此次“开拓二号”连续5天在6级风、4级海况条件下作业,成功完成了多次、连续深海布放、海底作业与提升回收,装备安全性、可靠性得到检验。

此次海试,“开拓二号”完成五次探采,国内深海重载作业采矿车海试水深首次突破4000米,创下中国深海采矿领域的6项纪录,技术性能达到国内领先、国际先进水平。

从实验室到大海,三代船海人十年“开拓”路

当前,中国拥有5块国际海底矿区专属勘探权和开采优先权,总面积23.5万平方千米相当于3个渤海。然而这些勘探权将在十几年内陆续到期,亟需掌握开发技术,形成开发能力,否则就将被收回,丧失优先开发权可以说,中国面临较为紧迫的开发压力。

国际竞争方面,国际海洋强国抢占先发优势,欧盟、日本、加拿大等海洋强国,竞相开展关键核心技术与装备研发已基本形成技术体系,主导标准和规则制定,占据垄断地位,正在由勘探向开发加速迈进,深海矿产资源开发势在必行2021年,比利时GSR勘探水深达到4500米,2022年加拿大TMC勘探水深达到4300米。

在这一大背景下,杨建民教授团队的工作意义重大,为形成深海探采未来产业、海洋强国、科技强国提供有力支撑。

“2013年,国外深海采矿装备研发早已经达到了一定水平,但是在国内相关研发还没有完全起步,当时我就觉得在深海探采这方面,中国需要填补空白。”杨建民说。

从一个设想到真正的海试,“开拓”系列深海采矿车首席科学家杨建民一干就是十年。他带着团队先后成功研制了深海重载作业采矿车“开拓一号”与“开拓二号”。

十年间,这一团队不断壮大。十年前,赵国成是上海交大船舶海洋与建筑工程学院的一名研究生,深海采矿选为研究方向。这次海试赵国成是以青年骨干教师的身份参与其中“从实验室里几米水深的水槽测试到这次数千米水深的深海海底采矿作业,我获得了一段十分宝贵的学习和锻炼经历。海试成果让我们很振奋,我更加笃定深海采矿将会是我未来的研究方向。”

活动现场,杨建民介绍称,目前团队还需要复合型人才加入。在海试过程中,交大师生三代“船海人”通过多学科合作突破了一个又一个难题。

2021年深海采矿车“开拓一号”实现了1305米深海试验。新一代深海重载作业采矿车“开拓二号”,主要由深海采矿车主体、大承载光电复合脐带缆和重载布放回收绞车等多型装备组成,长6.0米,宽3.0米,高2.5米,重量约14吨,设计作业水深6000米,具备深海多金属结壳、多金属结核与深海硫化物等多类型矿产综合开采能力,技术性能达到国内领先、国际一流水平。

“‘开拓二号’海试是系统级项目,考验的不仅仅是采矿车在深海高压环境下的性能,对重载作业布放回收系统也是重大挑战。采矿车、光电复合缆和绞车没有经过经实海验证,面临着很多不确定性。”团队成员、上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院副教授刘明月介绍说。

深海探采工作同样具备巨大的商业价值。大洋海底蕴藏着丰富的多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等矿产资源,富含铜、钴、镍、锰等重要关键材料,应用价值极高。深海矿产资源开发是典型海洋高科技产业,集深海工程科技、海洋科学探索、海洋资源绿色开发利用于一体,将带动海洋诸多产业的前沿与颠覆性技术研究,形成新兴产业增长点,为国民经济和社会发展提供新动能。

另一方面,深海矿产资源开发是典型深海高科技产业全球多金属结核估算资源量达30000亿吨,若实现商业开采,预计产值达数万亿元还能同时带动行业产业升级培育形成战略性新兴产业

杨建民告诉界面新闻,推进顺利,深海矿产资源商业化开发可在未来10-15实现,已经有企业跟团队表示了未来的合作意向。

近年来,上海交通大学服务国家海洋强国战略和上海科创中心及现代海洋城市建设,提出“大海洋”战略,汇聚学科优势重点打造海洋装备交叉创新研究平台。

杨建民团队的海试成功,提升了大水深非金属复合缆、重载牵引式绞车、深水大功率液压等深海关键装备、元器件等企业自主研发制造能力,为培育形成深海探采未来产业发挥了示范引领和带动作用;培养形成了一支百余人深海采矿技术研发团队,在国内外学术、工程领域处于前沿,同时显著提升上海深海科技创新能力,使上海在全国竞争中跻身前列。

这也标志着中国深海重载作业装备创新研发取得重要突破性进展,为中国深海矿产资源从勘探向开发做出重要贡献。

2019年获批建设教育部深海重载作业装备集成攻关大平台,在此基础上于2021年获批上海长兴海洋实验室新型研发机构,以高端海洋装备研发为核心,打造准工业化实验室,重点布局“深海装备与资源开发”等四大研究方向,有组织开展深海重载作业装备关键技术等研究。

“开拓”系列采矿车的成功研制将有力推动上海长兴海洋实验室成为中国深海采矿技术的重要研究基地。

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