Vad blir konsekvenserna för havet om människor ska bryta djuphavet? Det är en fråga som blir brådskande i takt med att intresset för marina mineraler har vuxit.

Havets djuphavsbotten är utspridda med gamla, potatisstora stenar som kallas "polymetalliska knölar" som innehåller nickel och kobolt - mineraler som är mycket efterfrågade för tillverkning av batterier, till exempel för att driva elfordon och lagra förnybar energi, och som svar på faktorer som ökande urbanisering. Det djupa havet innehåller stora mängder mineralbelastade knölar, men effekterna av att bryta havsbotten är både okända och mycket omtvistade.

Nu har MIT-havforskare kastat lite ljus över ämnet, med en ny studie om molnet av sediment som ett samlarfordon skulle röra upp när det plockar upp knölar från havsbotten.

Studien, som visas i Science Advances, rapporterar resultaten av en forskningskryssning 2021 till en region i Stilla havet känd som Clarion Clipperton Zone (CCZ), där det finns många polymetalliska knölar. Där utrustade forskare ett förprototypsamlarfordon med instrument för att övervaka störningar i sedimentplymer när fordonet manövrerade över havsbotten, 4 500 meter under havets yta. Genom en sekvens av noggrant uttänkta manövrar. MIT-forskarna använde fordonet för att övervaka sitt eget sedimentmoln och mäta dess egenskaper.

Deras mätningar visade att fordonet skapade en tät plym av sediment i dess kölvatten, som spred sig under sin egen vikt, i ett fenomen som inom vätskedynamik kallas en "turbiditetsström". När den gradvis spreds, förblev plymen relativt låg och höll sig inom 2 meter från havsbotten, i motsats till att omedelbart lyfta högre upp i vattenpelaren, vilket hade postulerats.

"Det är en helt annan bild av hur dessa plymer ser ut, jämfört med en del av gissningarna", säger studiens medförfattare Thomas Peacock, professor i maskinteknik vid MIT. "Modelleringsinsatser för djuphavsgruvor måste ta hänsyn till dessa processer som vi identifierat, för att kunna bedöma deras omfattning."

Studiens medförfattare inkluderar huvudförfattaren Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon och Souha El Mousadik från MIT; och Matthew Alford från Scripps Institution of Oceanography.

Djuphavsmanövrar

För att samla in polymetalliska knölar föreslår vissa gruvföretag att de ska placera ut traktorstora fordon till havets botten. Fordonen skulle dammsuga upp knölarna tillsammans med lite sediment längs deras väg. Knölarna och sedimentet skulle sedan separeras inuti fordonet, med knölarna skickas upp genom ett stigrör till ett ytfartyg, medan det mesta av sedimentet skulle släppas ut omedelbart bakom fordonet.

Peacock och hans grupp har tidigare studerat dynamiken i sedimentplymen som tillhörande ytoperationsfartyg kan pumpa tillbaka i havet. I sin nuvarande studie fokuserade de på den motsatta änden av operationen, för att mäta sedimentmolnet som skapas av samlarna själva.

I april 2021 gick teamet med i en expedition ledd av Global Sea Mineral Resources NV (GSR), en belgisk marinteknikentreprenör som utforskar CCZ efter sätt att utvinna metallrika knölar. Ett europeiskt vetenskapsteam, Mining Impacts 2, genomförde också separata studier parallellt. Kryssningen var den första på över 40 år att testa en "pre-prototyp" samlarbil i CCZ. Maskinen, som kallas Patania II, är cirka 3 meter hög, spänner över 4 meter bred och är cirka en tredjedel av storleken på vad ett fordon i kommersiell skala förväntas vara.

Medan entreprenören testade fordonets noduluppsamlingsprestanda övervakade MIT-forskarna sedimentmolnet som skapades i fordonets kölvatten. De gjorde det med två manövrar som fordonet var programmerat att ta:en "selfie" och en "drive-by".

Båda manövrarna började på samma sätt, med fordonet i en rak linje, alla dess sugsystem påslagna. Forskarna lät fordonet köra 100 meter och samlade upp eventuella knölar i dess väg. Sedan, i "selfie"-manövern, uppmanade de fordonet att stänga av dess sugsystem och dubbla tillbaka för att köra genom molnet av sediment som det just hade skapat. Fordonets installerade sensorer mätte koncentrationen av sediment under denna "selfie"-manöver, vilket gjorde att forskarna kunde övervaka molnet inom några minuter efter att fordonet rörde upp det.

För "drive-by"-manövern placerade forskarna en sensorladdad förtöjning 50 till 100 meter från fordonets planerade spår. När fordonet körde längs och samlade knölar skapade det en plym som så småningom spred sig förbi förtöjningen efter en timme eller två. Denna "drive-by"-manöver gjorde det möjligt för teamet att övervaka sedimentmolnet över en längre tidsskala på flera timmar och fånga plymens utveckling.

Ut ångan

Under flera fordonskörningar kunde Peacock och hans team mäta och spåra utvecklingen av sedimentplymen som skapades av djuphavsgruvfordonet.

"Vi såg att fordonet skulle köra i klart vatten och se knölarna på havsbotten," säger Peacock. "Och så plötsligt kommer det här mycket skarpa sedimentmolnet igenom när fordonet kommer in i plymen."

Från selfievyerna observerade teamet ett beteende som förutspåddes av några av deras tidigare modelleringsstudier:Fordonet rörde upp en stor mängd sediment som var tillräckligt tät för att, även efter en viss blandning med det omgivande vattnet, genererade en plym som betedde sig nästan som en separat vätska, spred sig under sin egen vikt i vad som kallas en grumlighetsström.

"Grumlighetsströmmen sprider sig under sin egen vikt under en tid, tiotals minuter, men när den gör det avsätter den sediment på havsbottnen och slutar att ånga", säger Peacock. "Därefter blir havsströmmarna starkare än den naturliga spridningen, och sedimentet övergår till att bäras av havsströmmarna."

När sedimentet drev förbi förtöjningen uppskattar forskarna att 92 till 98 procent av sedimentet antingen lagt sig tillbaka eller förblivit inom 2 meter från havsbotten som ett lågt liggande moln. Det finns dock ingen garanti för att sedimentet alltid stannar där istället för att driva längre upp i vattenpelaren. Nya och framtida studier av forskargruppen undersöker denna fråga, med målet att befästa förståelsen för sedimentplymer för djuphavsgruvor.

"Vår studie klargör verkligheten av hur den initiala sedimentstörningen ser ut när du har en viss typ av nodulbrytning", säger Peacock. "Den stora fördelen är att det finns komplexa processer som grumlighetsströmmar som äger rum när du gör den här typen av insamling. Så varje försök att modellera en djuphavsgruvdrifts inverkan måste fånga dessa processer." + Utforska vidare

Vad kommer att hända med sedimentplymer i samband med djuphavsbrytning?