7月9日，界面新聞自“開拓二號”深海采礦車海試重大成果發(fā)布活動上獲悉，由上海交通大學自主研制的深海重載作業(yè)采礦車工程樣機“開拓二號”，最深著底4102.8米，深海礦物開采試驗海試期間，共獲得約200kg多金屬結殼、多金屬結核、基巖等各類深海礦產(chǎn)樣品。成功完成深海試驗航次后，團隊搭乘“向陽紅03”號科考船順利返回廈門。

深海采礦車“開拓二號”于6月19日啟航，6月28日返航，全程歷時共10天，航程1840多公里。在西太平洋多金屬結殼與結核海區(qū)，開展海底行進、礦物開采、布放回收等全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，海試水深2000-4000米。

“開拓二號”。攝影：界面新聞記者陳振芳

6月22日-26日，“開拓二號”在4級海況、6級風條件下，連續(xù)每天完成1個潛次，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，充分驗證穩(wěn)定性、可靠性共成功完成5個潛次，其中2000米級4次，4000米級1次，最大水深4102.8米創(chuàng)國內(nèi)深海采礦紀錄。

這一工作由海試首席科學家、上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院教授楊建民團隊主導完成。

深海礦產(chǎn)資源是中國資源安全的重要保障，具有種類多、儲量大、品質好等特點。具體來看，深海蘊藏76種礦產(chǎn)，僅太平洋海底含約30億噸鈷，相當于陸地儲量3000倍，金屬含量30%-50%。

中國是世界最大礦產(chǎn)資源消費國，作為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源是國內(nèi)80%以上工業(yè)原材料來源，對保障國家經(jīng)濟安全和國防安全發(fā)揮不可替代作用。當前，中國的部分資源對外依存度居高不下，其中鈷、鎳、銅等緊缺關鍵礦產(chǎn)分別高達98%、91%和75%。

根據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)，到2030年，鈷的需求預計比目前高10倍，每年達10.1萬噸，加之各國積極政策，甚至可能高達29.1萬噸，是目前25倍。

五項技術突破，“開拓二號”創(chuàng)多項紀錄

在數(shù)干米深海高壓、黑暗極端環(huán)境中，深海重載作業(yè)裝備研發(fā)面臨海底礦物高效開采難、海底重載安全行進難深海重載作業(yè)控制難、深海重載布放口收難、深海環(huán)境影響監(jiān)測難等五大難題。

“海底地形崎嶇，海況條件比較復雜，海底采礦裝備不僅需要在這樣的環(huán)境中來去自如，還要具備開采和收集能力，并且能有效地回收，這其中的每一個環(huán)節(jié)，都要經(jīng)過海試的考驗。”楊建民介紹說。

據(jù)楊建民現(xiàn)場介紹，此次“開拓二號”在4100米稀軟沉積物海底，克服打滑、陷泥，實現(xiàn)穩(wěn)定、大曲率自主行進深海礦物開采試驗，在2000米多金屬結殼海山區(qū)域，完成結殼開采試驗，獲得結殼礦巖、顆粒樣品；在4100米多金屬結核海區(qū)，完成結核水力收集試驗，獲得大量多金屬結核樣品。

深海礦產(chǎn)樣品。攝影：界面新聞記者陳振芳

長期以來，深海采礦在國際上存在三大技術難題：一是礦區(qū)海底地形異常復雜，裝備安全行進困難；二是深海礦產(chǎn)賦存形式與物理特性復雜多樣，高效開采收集困難；三是深海重載作業(yè)裝備在海上風浪條件下，安全布放回收困難。

這次深海試驗，“開拓二號”在海底多金屬結殼與結核礦區(qū)，連續(xù)成功完成了5次下潛，其中4000米級深度1次，2000米級深度4次，采礦車分別達到了1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米等深海海底，這是國內(nèi)深海重載作業(yè)采礦車首次在4000米以深海底開展深海礦產(chǎn)資源試開采試驗。

無論是坡度達30多度的陡峭、崎嶇海山，還是由高粘性稀軟沉積物堆積的海底“灘涂”，“開拓二號”都能順利行進、爬坡和原地回轉。

為了讓采礦車的行進更加自由，團隊研發(fā)了相關技術，不需要任何人工操控，可以自主感知采礦環(huán)境，四條履帶能夠根據(jù)海底實際地形實時調(diào)整方向和狀態(tài)，適應海底復雜地形行走的需要，這一技術也是國內(nèi)首創(chuàng)。

值得一提的是，此次“開拓二號”的研發(fā)首創(chuàng)國內(nèi)同類研究的五大關鍵技術：

首創(chuàng)深海復雜海底地形高機動行進技術，實現(xiàn)30度以上陡峭海山、深海稀軟沉積物等各種復雜海底地形的安全、穩(wěn)定行進。

首創(chuàng)深海多礦類復合鉆采技術，實現(xiàn)對多金屬結殼、多金屬結核等不同類型礦石高效開采與收集。

首創(chuàng)深水重載作業(yè)智能精細控制技術，形成作業(yè)路徑智能規(guī)劃、跟蹤與避障能力，實現(xiàn)深水厘米級精準定位。

首創(chuàng)非金屬纜深海重載布放回收技術，實現(xiàn)4100米水深重載裝備布放回收，安全工作負載等指標位居國內(nèi)前列。

創(chuàng)新深海環(huán)境擾動監(jiān)測評估技術，采礦車還搭載了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對海底羽狀流生成擴散、水下作業(yè)噪聲等環(huán)境影響情況進行了全面監(jiān)測與評估，為中國深海礦產(chǎn)資源勘探與綠色環(huán)保開采提供了珍貴的一手材料和數(shù)據(jù)。

隨船參加海試的青島海洋地質研究所深海地質與礦產(chǎn)室副主任黃威表示，“開拓二號”具備高效、穩(wěn)定地采集深海多金屬結殼礦石的能力，針對附著在斜坡基巖之上的多金屬結殼，它的切削能力可以把結殼和基巖快速分離開，高效地把結殼礦石吸入集礦箱。

攝影：界面新聞記者陳振芳

該深海采礦車的爬坡和避障能力可以讓它在復雜地形環(huán)境下實現(xiàn)多方向進行，從而大范圍覆蓋結殼礦區(qū)，提升礦石采收率。

深海采礦車的布放與回收也是技術難點。此次“開拓二號”連續(xù)5天在6級風、4級海況條件下作業(yè)，成功完成了多次、連續(xù)深海布放、海底作業(yè)與提升回收，裝備安全性、可靠性得到檢驗。 

此次海試，“開拓二號”完成五次探采，國內(nèi)深海重載作業(yè)采礦車海試水深首次突破4000米，創(chuàng)下中國深海采礦領域的6項紀錄，技術性能達到國內(nèi)領先、國際先進水平。

從實驗室到大海，三代船海人十年“開拓”路

當前，中國擁有5塊國際海底礦區(qū)專屬勘探權和開采優(yōu)先權，總面積23.5萬平方千米，相當于3個渤海。然而這些勘探權將在十幾年內(nèi)陸續(xù)到期，亟需掌握開發(fā)技術，形成開發(fā)能力，否則就將被收回，喪失優(yōu)先開發(fā)權。可以說，中國面臨較為緊迫的開發(fā)壓力。

國際競爭方面，國際海洋強國搶占先發(fā)優(yōu)勢，歐盟、日本、加拿大等海洋強國，競相開展關鍵核心技術與裝備研發(fā)，已基本形成技術體系，主導標準和規(guī)則制定，占據(jù)壟斷地位，正在由勘探向開發(fā)加速邁進，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)勢在必行。2021年，比利時GSR勘探水深達到4500米，2022年加拿大TMC勘探水深達到4300米。

在這一大背景下，楊建民教授團隊的工作意義重大，為形成深海探采未來產(chǎn)業(yè)、海洋強國、科技強國提供有力支撐。

“2013年，國外深海采礦裝備研發(fā)早已經(jīng)達到了一定水平，但是在國內(nèi)相關研發(fā)還沒有完全起步，當時我就覺得在深海探采這方面，中國需要填補空白。”楊建民說。

從一個設想到真正的海試，“開拓”系列深海采礦車首席科學家楊建民一干就是十年。他帶著團隊先后成功研制了深海重載作業(yè)采礦車“開拓一號”與“開拓二號”。

十年間，這一團隊不斷壯大。十年前，趙國成是上海交大船舶海洋與建筑工程學院的一名研究生，將深海采礦選為研究方向。這次海試趙國成是以青年骨干教師的身份參與其中，“從實驗室里幾米水深的水槽測試到這次數(shù)千米水深的深海海底采礦作業(yè)，我獲得了一段十分寶貴的學習和鍛煉經(jīng)歷。海試成果讓我們很振奮，我更加篤定深海采礦將會是我未來的研究方向。”

活動現(xiàn)場，楊建民介紹稱，目前團隊還需要復合型人才加入。在海試過程中，交大師生三代“船海人”通過多學科合作突破了一個又一個難題。

2021年，深海采礦車“開拓一號”實現(xiàn)了1305米深海試驗。新一代深海重載作業(yè)采礦車“開拓二號”，主要由深海采礦車主體、大承載光電復合臍帶纜和重載布放回收絞車等多型裝備組成，長6.0米，寬3.0米，高2.5米，重量約14噸，設計作業(yè)水深6000米，具備深海多金屬結殼、多金屬結核與深海硫化物等多類型礦產(chǎn)綜合開采能力，技術性能達到國內(nèi)領先、國際一流水平。

 “‘開拓二號’海試是系統(tǒng)級項目，考驗的不僅僅是采礦車在深海高壓環(huán)境下的性能，對重載作業(yè)布放回收系統(tǒng)也是重大挑戰(zhàn)。采礦車、光電復合纜和絞車沒有經(jīng)過經(jīng)實海驗證，面臨著很多不確定性。”團隊成員、上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院副教授劉明月介紹說。

深海探采工作同樣具備巨大的商業(yè)價值。大洋海底蘊藏著豐富的多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物等礦產(chǎn)資源，富含銅、鈷、鎳、錳等重要關鍵材料，應用價值極高。深海礦產(chǎn)資源開發(fā)是典型海洋高科技產(chǎn)業(yè)，集深海工程科技、海洋科學探索、海洋資源綠色開發(fā)利用于一體，將帶動海洋諸多產(chǎn)業(yè)的前沿與顛覆性技術研究，形成新興產(chǎn)業(yè)增長點，為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展提供新動能。

另一方面，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)是典型深海高科技產(chǎn)業(yè)，全球多金屬結核估算資源量達30000億噸，若實現(xiàn)商業(yè)開采，預計產(chǎn)值達數(shù)萬億元。還能同時帶動行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，培育形成戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

楊建民告訴界面新聞，若推進順利，深海礦產(chǎn)資源的商業(yè)化開發(fā)可在未來10-15年內(nèi)實現(xiàn)，已經(jīng)有企業(yè)跟團隊表示了未來的合作意向。

近年來，上海交通大學服務國家海洋強國戰(zhàn)略和上海科創(chuàng)中心及現(xiàn)代海洋城市建設，提出“大海洋”戰(zhàn)略，匯聚學科優(yōu)勢重點打造海洋裝備交叉創(chuàng)新研究平臺。

楊建民團隊的海試成功，提升了大水深非金屬復合纜、重載牽引式絞車、深水大功率液壓等深海關鍵裝備、元器件等企業(yè)自主研發(fā)制造能力，為培育形成深海探采未來產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了示范引領和帶動作用；培養(yǎng)形成了一支百余人深海采礦技術研發(fā)團隊，在國內(nèi)外學術、工程領域處于前沿，同時顯著提升上海深海科技創(chuàng)新能力，使上海在全國競爭中躋身前列。

這也標志著中國深海重載作業(yè)裝備創(chuàng)新研發(fā)取得重要突破性進展，為中國深海礦產(chǎn)資源從勘探向開發(fā)做出重要貢獻。

2019年獲批建設教育部深海重載作業(yè)裝備集成攻關大平臺，在此基礎上于2021年獲批上海長興海洋實驗室新型研發(fā)機構，以高端海洋裝備研發(fā)為核心，打造準工業(yè)化實驗室，重點布局“深海裝備與資源開發(fā)”等四大研究方向，有組織開展深海重載作業(yè)裝備關鍵技術等研究。

“開拓”系列采礦車的成功研制將有力推動上海長興海洋實驗室成為中國深海采礦技術的重要研究基地。

轉載來源：界面新聞 作者：陳振芳