龙宫取宝!6项纪录填补空白 中国深海重载作业首破4千米

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从齐天大圣、东海龙宫到定海神针,神话传说有了科技新版本。

7月9日,解放日报·上观新闻记者走进位于长兴岛的上海长兴海洋实验室,见到了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”。它长6.0米、宽3.0米、高2.5米,空气中重量约14吨,水中重量约5.6吨,好似一台水下数千米的海底掘进机。

开拓二号。

近日,“开拓二号”搭乘“向阳红03”号科考船,在西太平洋着底4102.8米,成功取回深海多金属结壳与结核,海试取得圆满成功。试验航次中,“开拓二号”5次探采,创下我国深海采矿领域6项纪录,技术性能达到国内领先、国际先进水平。这是“国之重器”服务国家海洋强国战略和上海科创中心、现代海洋城市建设的一次重大突破。

海矿样品。

获得200多公斤各类深海矿产样品

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、锰等关键材料,应用价值极高。随着新兴行业对稀有金属的巨大需求,深海矿产资源合理开发是未来推动民生、资源、科技、经济可持续发展的必然选择,也是发展新质生产力、抢占未来发展制高点的“先手棋”。在未来10到15年,深海矿产资源开发有望取得突破性进展,实现商业化开发利用。



海试布放。

“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。”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介绍说,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,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米以深的海底开展深海矿产资源试开采试验。



而且,“开拓二号”还展现出强大的海底矿岩钻进与采集能力,对紧密附着在坚硬矿岩上的多金属结壳、浅埋于稀软深海沉积物中的多金属结核等不同类型海底矿物进行了高效开采收集,成功获得了200多公斤的多金属结壳、多金属结核、海底基岩等各类深海矿产样品。

以上为各种海底矿石样品。

六项突破让它自行采矿如履平地

无论是坡度达30多度的陡峭崎岖海山,还是由高黏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。据介绍,为了让采矿车的行进更加自由,团队研发了相关技术,帮助采矿车不需任何人工操控,就能自主感知采矿环境。其4条履带可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需要,这在国内还是首创。



杨建民团队介绍,“开拓二号”的研发,共实现了国内同类研究的6项突破:首次实现深海重载作业采矿车布放作业水深突破4000米大关,获得了大量多金属结壳、多金属结核等深海矿产样品;首创深海复杂海底地形高机动行进技术,实现30度以上陡峭海山、深海稀软沉积物等各种复杂海底地形的安全稳定行进;首创深海多矿类复合钻采技术,实现对多金属结壳、多金属结核等不同类型矿石高效开采与收集;首创深水重载作业智能精细控制技术,形成作业路径智能规划、跟踪与避障能力,实现深水厘米级精准定位;首创非金属缆深海重载布放回收技术,安全工作负载等指标位居国内前列;创新深海环境扰动监测评估技术,采矿车还搭载了环境监测系统,对海底羽状流生成扩散、水下作业噪声等环境影响情况进行了全面监测与评估,为我国深海矿产资源勘探与绿色环保开采提供了珍贵的一手材料和数据。

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”针对附着在斜坡基岩之上的多金属结壳,其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。同时,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。此外,“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、可靠性得到了检验。



三代船海人十年“开拓”无人路

据上海市发改委介绍,上海是海洋工程装备科技创新重镇,也是全国唯一集船舶海工研发、制造、验证试验和港机建造的城市,产业链较为完整、产业基础优势突出,拥有一批致力于深海资源开采的科研创新资源,研发优势突出。

“十多年前,国外深海采矿装备研发早已达到了一定水平,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。”从最初的一个设想,到蔚蓝大海的海试,“开拓”系列深海采矿车首席科学家杨建民在曾经的“无人区”一干到底。

开拓一号。

近年来,上海交通大学提出“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。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2021年获批上海长兴海洋实验室新型研发机构,有组织开展深海重载作业装备关键技术等研究。杨建民带着教师以及硕博士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”,其中深海采矿车“开拓一号”2021年成功实现了1305米深海试验。新一代“开拓二号”则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,实际设计作业水深达6000米。



长兴海洋实验室沙盘。

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

题图来源:徐瑞哲 摄 图片来源:长兴照片(徐瑞哲 摄);海上照片(交大船建学院)

 

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