Vilande ovanpå Thomas Peacocks skrivbord är en vanlig brun sten. Ungefär lika stor som en potatis, det har stått i centrum för årtionden av debatt. Känd som en polymetallisk knöl, den tillbringade 10 miljoner år på den djupa havsbotten, 15, 000 fot under havsytan. Knölen innehåller nickel, kobolt, koppar, och mangan – fyra mineraler som är viktiga för energilagring.

"När samhället går mot att köra fler elfordon och använda förnybar energi, det kommer att finnas en ökad efterfrågan på dessa mineraler, att tillverka de batterier som krävs för att koldioxidutlösa ekonomin, " säger Peacock, en professor i maskinteknik och chef för MIT:s Environmental Dynamics Lab (END Lab). Han är en del av ett internationellt team av forskare som har försökt få en bättre förståelse för miljöpåverkan av att samla in polymetalliska knölar, en process som kallas djuphavsbrytning.

Mineralerna som finns i knölarna, särskilt kobolt och nickel, är nyckelkomponenter i litiumjonbatterier. För närvarande, litiumjonbatterier erbjuder den bästa energitätheten av alla kommersiellt tillgängliga batterier. Denna höga energitäthet gör dem idealiska för användning i allt från mobiltelefoner till elfordon, som kräver stora mängder energi i ett kompakt utrymme.

"Dessa två faktorer förväntas se en enorm tillväxt i efterfrågan på grund av energilagring, säger Richard Roth, chef för MIT:s materialsystemlaboratorium.

Medan forskare undersöker alternativa batteriteknologier som natriumjonbatterier och flödesbatterier som använder elektrokemiska celler, dessa tekniker är långt ifrån kommersialisering.

"Få människor förväntar sig att något av dessa litiumjonalternativ kommer att finnas tillgängligt under det kommande decenniet, " förklarar Roth. "Att vänta på okänd framtida batterikemi och teknologier kan avsevärt försena utbredd användning av elfordon."

Stora mängder specialnickel kommer också att behövas för att bygga batterier i större skala som kommer att krävas när samhällen ser över att gå från ett elnät som drivs av fossila bränslen till ett som drivs av förnybara resurser som solenergi, vind, Vinka, och termisk.

"Insamlingen av knölar från havsbotten betraktas som ett nytt sätt att få tag i dessa material, men innan du gör det är det absolut nödvändigt att förstå miljöpåverkan från gruvresurser från djuphavet och jämföra den med miljöpåverkan från gruvresurser på land, " förklarar Peacock.

Efter att ha mottagit startfinansiering från MIT:s Environmental Solutions Initiative (ESI), Peacock kunde använda sin expertis inom vätskedynamik för att studera hur djuphavsbrytning kan påverka omgivande ekosystem.

Tillgodose efterfrågan på energilagring

För närvarande, nickel och kobolt utvinns genom landbaserad gruvdrift. Mycket av denna gruvdrift sker i Demokratiska republiken Kongo, som producerar 60 procent av världens kobolt. Dessa landbaserade gruvor påverkar ofta omgivande miljöer genom att förstöra livsmiljöer, erosion, samt jord- och vattenföroreningar. Det finns också oro för att landbaserad gruvdrift, särskilt i politiskt instabila länder, kanske inte kan leverera tillräckligt med dessa material eftersom efterfrågan på batterier ökar.

Havets sträcka som ligger mellan Hawaii och USA:s västkust – även känd som Clarion Clipperton Fracture Zone – beräknas ha sex gånger mer kobolt och tre gånger mer nickel än alla kända landbaserade butiker, såväl som stora fyndigheter av mangan och en betydande mängd koppar.

Även om havsbotten är rik på dessa material, lite är känt om de kort- och långsiktiga miljöeffekterna av gruvdrift 15, 000 fot under havsytan. Peacock och hans samarbetspartner professor Matthew Alford från Scripps Institution of Oceanography och University of California i San Diego leder strävan efter att förstå hur sedimentplymer som genereras av samlingen av knölar från havsbotten kommer att bäras av vattenströmmar.

"Nyckelfrågan är, om vi bestämmer oss för att göra en plym på plats A, hur långt sprider det sig innan det så småningom regnar ner på havsbotten?" förklarar Alford. "Den förmågan att kartlägga geografin av effekterna av havsbottenbrytning är en avgörande okänd just nu."

Forskningen Peacock och Alford genomför kommer att hjälpa till att informera intressenter om de potentiella miljöeffekterna av djuphavsbrytning. En brådskande fråga är att utkast till exploateringsregler för djuphavsbrytning i områden utanför nationell jurisdiktion för närvarande förhandlas fram av International Seabot Authority (ISA), en oberoende organisation inrättad av FN som reglerar all gruvverksamhet på havsbotten. Peacock och Alfords forskning kommer att hjälpa till att vägleda utvecklingen av miljöstandarder och riktlinjer som ska utfärdas under dessa regler.

"Vi har en unik möjlighet att hjälpa tillsynsmyndigheter och andra berörda parter att bedöma utkast till förordningar med hjälp av vår data och modellering, innan verksamheten startar och vi beklagar påverkan av vår verksamhet, " säger Carlos Munoz Royo, en Ph.D. student i MIT:s END Lab.

Spåra plymer i vattnet

Vid djuphavsbrytning, ett samlarfordon skulle sättas in från ett fartyg. Samlarfordonet kör sedan 15, 000 fot ner till havsbotten, där den dammsuger upp de översta fyra tum av havsbotten. Denna process skapar en plym som kallas en samlarplym.

"När samlaren rör sig över havsbotten, det rör upp sediment och skapar ett sedimentmoln, eller plym, som förs bort och distribueras av havsströmmar, " förklarar Peacock.

Samlarfordonet plockar upp knölarna, som pumpas genom ett rör tillbaka till fartyget. På skeppet, användbara knölar separeras från oönskat sediment. Det sedimentet leds tillbaka i havet, skapa en andra plym, känd som en urladdningsplym.

Peacock samarbetade med Pierre Lermusiaux, professor i maskinteknik och havsvetenskap och teknik, och Glenn Flierl, professor i jorden, atmosfärisk, och planetvetenskap, att skapa matematiska modeller som förutsäger hur dessa två plymer färdas genom vattnet.

För att testa dessa modeller, Peacock satte sig för att spåra faktiska plymer som skapades genom att bryta botten av Stilla havet. Med finansiering från MIT ESI, han påbörjade den första fältstudien någonsin av sådana plymer. Han fick sällskap av Alford och Eric Adams, senior forskningsingenjör vid MIT, såväl som andra forskare och ingenjörer från MIT, Scripps, och United States Geological Survey.

Med finansiering från UC Ship Funds Program, teamet genomförde experiment i samråd med ISA under en veckolång expedition i Stilla havet ombord på US Navy R/V Sally Ride i mars 2018. Forskarna blandade sediment med ett spårfärgämne som de kunde spåra med hjälp av sensorer på det utvecklade fartyget av Alfords Multiscale Ocean Dynamics-grupp. Genom att göra så, de skapade en karta över plymers resor.

Fältexperimenten visade att modellerna Peacock och Lermusiaux utvecklade kan användas för att förutsäga hur plymer kommer att färdas genom vattnet - och kan hjälpa till att ge en tydligare bild av hur den omgivande biologin kan påverkas.

Påverkan på djuphavsorganismer

Livet på havsbotten rör sig i en glacial takt. Sediment ackumuleras med en hastighet av 1 millimeter varje årtusende. Med en så långsam tillväxttakt, områden som störs av djuphavsbrytning skulle sannolikt inte återhämta sig inom rimlig tid.

"Bekymmer är att om det finns ett biologiskt samhälle som är specifikt för området, det kan påverkas oåterkalleligt av gruvdrift, " förklarar Peacock.

Enligt Cindy Van Dover, professor i biologisk oceanografi vid Duke University, förutom organismer som lever i eller runt knölarna, andra organismer på andra ställen i vattenpelaren kan påverkas när plymerna färdas.

"Det kan vara igensättning av filtermatningsstrukturer av, till exempel, gelatinösa organismer i vattenpelaren, och begravning av organismer på sedimentet, " förklarar hon. "Det kan också finnas några metaller som kommer in i vattenpelaren, så det finns oro för toxikologi."

Peacocks forskning om plymer kan hjälpa biologer som Van Dover att bedöma sidoskador från djuphavsgruvor i omgivande ekosystem.

Utarbetande av föreskrifter för brytning av havet

Genom kontakter med MIT:s Policy Lab, Institutet är ett av endast två forskningsuniversitet med observatörsstatus vid ISA.

"Plymforskningen är mycket viktig, och MIT hjälper till med experiment och utveckling av plymmodeller, som är avgörande för att informera den internationella havsbottenmyndighetens och dess intressentbas pågående arbete, " förklarar Chris Brown, en konsult på ISA. Brown var en av dussintals experter som samlades på MIT:s campus i höstas vid en workshop som diskuterade riskerna med djuphavsbrytning.

Hittills, fältforskningen som Peacock och Alford genomförde är den enda havsdatauppsättningen på mellanvattenplymer som finns för att vägleda beslutsfattande. Nästa steg för att förstå hur plymer rör sig genom vattnet blir att spåra plymer som genereras av en prototyp av ett samlarfordon. Peacock och hans team i END Lab förbereder sig för att delta i en stor fältstudie med ett prototypfordon 2020.

Tack vare den senaste finansieringen från 11th Hour Project, Peacock och Lermusiaux hoppas kunna utveckla modeller som ger allt mer exakta förutsägelser om hur djuphavsgruvor kommer att färdas genom havet. De kommer att fortsätta att interagera med akademiska kollegor, internationella organ, icke-statliga organisationer, och entreprenörer för att utveckla en tydligare bild av djuphavsbrytningens miljöpåverkan.

"Det är viktigt att ha input från alla intressenter tidigt i samtalet för att hjälpa till att fatta välgrundade beslut, så att vi till fullo kan förstå miljöpåverkan av gruvresurser från havet och jämföra den med miljöpåverkan från gruvresurser på land, säger Peacock.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.