“青島力量”攻堅深海采礦技術裝備

采礦車：針對稀軟海床，設計研究出仿生水牛蹄履齒，可以有效增加其30%最大牽引力。為實現高效采集，陳旭光團隊研發了新型雙排射流、附壁射流等采集頭，采集效率提高至96%。

研發深海羽流絮凝劑：2024年將產品搭載到“蛟龍”號上，在5000多米深的海底順利完成深海羽流絮凝實驗。

今年政府工作報告提出，“開展新技術新產品新場景大規模應用示范行動，推動商業航天、低空經濟、深?？萍嫉刃屡d產業安全健康發展。”這是“深?？萍?rdquo;首次現身政府工作報告，充分彰顯了國家對發展深?？萍嫉闹匾暢潭?，體現了對海洋強國戰略的進一步深化。

深海科技通常是指針對水深超過200米的深海區域，為探索、開發和利用深海資源以及研究深海環境的一系列先進技術與裝備的總稱。東吳證券近日發布的研報將深?？萍级x為十萬億元量級市場，稱該產業未來有望成為經濟新增長極。研報顯示，深?？萍甲鳛閲覒鹇孕孕屡d產業的核心領域，正從科研探索向產業化加速邁進。

在涉海科研機構高度集聚的青島，諸多研究團隊都在聚焦深?？萍及l力，在深海探測、裝備制造、資源開發等領域不斷產出代表性成果。中國海洋大學陳旭光團隊就是其中之一，致力于攻克關鍵技術難題，為深海采礦打下堅實基礎。

要采礦，先“造車”

深海蘊藏著地球上遠未被認知和開發的寶藏，但要得到這些寶藏，就必須在深海進入、深海探測、深海開發方面掌握關鍵技術。

“高新科技和新能源產業對金屬礦產資源的需求日益增長，而陸地戰略金屬逐漸供不應求，世界各國紛紛將資源戰略瞄向稀有金屬蘊藏豐富的深海。多金屬結核（PMN）、多金屬硫化物（PMS）以及富鈷結殼（CFC），被視為陸地金屬礦產資源的潛在替代品，世界各國競相開展深海采礦技術裝備研究。”談及開展深海采礦研究的背景，中國海洋大學教授陳旭光這樣說。

戰略金屬是實現能源轉型不可或缺的戰略性資源。據世界銀行預測，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和數量往往優于陸地礦石，PMN、PMS和CFC尤其具備巨大的商業價值。美國地質調查局指出，如果深海開采能實現商業化，截止2065年，人類對關鍵金屬需求的35%至45%將來自深海開采。

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

但要想把這些深海礦產資源高效開采出來，就必須研發出深海采礦技術與裝備。實際上，深海采礦商業化是否成功很大程度上取決于其技術與裝備的先進性。這正是陳旭光團隊的研究方向，關注深海采礦技術裝備發展，致力于深海多金屬結核開采研究。

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行礦石收集作業。在中國海洋大學實驗室里，記者看到了陳旭光團隊研發的采礦車樣機，正利用底盤上安裝的履帶在人工模擬的海底沉積物上進行行走試驗。“深海海底是極其軟黏的底質，對采礦車的結構設計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，針對稀軟海床，設計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、打滑問題打下了堅實基礎。

采礦車在海底“走得穩”是基礎，實現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械收集和水力收集。機械收集利用旋轉鏈齒、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，優點是結構簡單、對沉積物層影響小、地形適應性強，缺點是能耗較高。目前，水力收集方法更受各國青睞。在國家杰出青年科學基金“海洋巖土力學與海底工程”、國家重點研發計劃“深海多金屬結核新型流態化采礦模式及其原理樣機研究”等項目支持下，陳旭光團隊研發了新型雙排射流、附壁射流等采集頭，采集效率提高至96%。后續，他們將與招商局集團等龍頭企業合作，進一步提升采礦車的作業性能。

關心采集效率，也注重環境友好

在深海采礦方面，陳旭光團隊聚焦采集效率的同時，也注重環境友好。

“深海采礦會對海洋生態環境造成諸多影響，例如海底開采活動會改變底棲環境、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現大規模商業開采的一個重要原因。

陳旭光拿多金屬結核舉例說，這種礦產覆蓋在海底沉積物上，在開采該礦產的過程中，必然會對海底周圍環境造成擾動。“業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，顆粒細小，一般1至10微米左右。據研究，大約1000年沉積0.1至5毫米。”陳旭光說，采礦車一旦工作，容易擾動海底沉積物，讓海底沉積物如同塵埃一樣四散，引發煙霧狀的深海羽流，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擴散數十公里，導致濾食生物窒息。此外，采礦系統泵機作業時連續轟鳴，噪音容易干擾鯨類之間的聲吶通信。海底生物生長緩慢，采礦區的恢復或許需要數百年甚至上千年。

從減少擾動的角度出發，陳旭光帶領團隊著力攻關，努力在海底采礦的同時，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。他們在實驗室進行了三年的實驗，以降低生成、抑制擴散和加速沉降作為關注點，研發讓深海羽流快速絮凝的羽流抑制產品。

“簡單來說，就是研發一個設備和一種噴劑，通過在深海噴灑的方式，把深海羽流中的小顆粒快速聚集成大顆粒，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行研發，但后來考慮到國際海洋界拒絕陸源物質進入深海，特別是進入深海海底，于是轉變方向，最終以海藻為原料，研發出了具有“綠色”屬性的深海羽流絮凝劑。

隨后，陳旭光團隊在實驗室里進行了絮凝劑模擬實驗。2024年，又將產品搭載到“蛟龍”號上，在5000多米深的海底順利完成深海羽流絮凝實驗。“你看，噴灑絮凝劑后，一個個細小的深海顆粒物很快‘抱團’、絮凝，形成了類似果凍的質地，很快就沉降了。”陳旭光拿出“蛟龍”號拍攝的視頻證實他們的產品效果，“這為解決深海采礦環境擾動問題提出了一個新思路和新方法：絮凝促沉降的深海羽狀流抑制方法。”

眼下，陳旭光還在帶領團隊對深海羽流抑制裝置進行優化升級。“目前，我們在實驗室里制備絮凝劑的成本還比較高，希望隨著工藝的改進、應用規模的擴大，價格能不斷降低，未來真正服務于深海采礦產業發展。”他展望說。