Measuring sediment plumes stirred up by Deep Sea Mining vehicles

10/10/22-FR-English-NL

Mesure des panaches de sédiments agités par les véhicules de Deep Sea Mining

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Image - Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Quel sera l'impact sur l'océan si les humains doivent exploiter les profondeurs marines ? C'est une question qui gagne en urgence à mesure que l'intérêt pour les minéraux marins grandit.

Les fonds marins profonds de l'océan sont parsemés d'anciennes roches de la taille d'une pomme de terre appelées "nodules polymétalliques" qui contiennent du nickel et du cobalt - des minéraux très demandés pour la fabrication de batteries, comme pour alimenter les véhicules électriques et stocker l'énergie renouvelable, et en réponse à des facteurs tels que l'urbanisation croissante. L'océan profond contient de grandes quantités de nodules chargés de minéraux, mais l'impact de l'exploitation minière du fond de l'océan est à la fois inconnu et très contesté.

Maintenant, les scientifiques océaniques du MIT ont fait la lumière sur le sujet, avec une nouvelle étude sur le nuage de sédiments qu'un véhicule collecteur soulèverait en ramassant des nodules du fond marin.

L'étude, publiée dans Science Advances, rapporte les résultats d'une croisière de recherche de 2021 dans une région de l'océan Pacifique connue sous le nom de zone Clarion Clipperton (CCZ), où les nodules polymétalliques abondent. Là, les chercheurs ont équipé un véhicule collecteur pré-prototype d'instruments pour surveiller les perturbations du panache de sédiments pendant que le véhicule manœuvrait sur le fond marin, à 4 500 mètres sous la surface de l'océan. Grâce à une séquence de manœuvres soigneusement conçues. les scientifiques du MIT ont utilisé le véhicule pour surveiller son propre nuage de sédiments et mesurer ses propriétés.

Leurs mesures ont montré que le véhicule a créé un panache dense de sédiments dans son sillage, qui s'est propagé sous son propre poids, dans un phénomène connu en dynamique des fluides sous le nom de "courant de turbidité". Au fur et à mesure qu'il se dispersait, le panache est resté relativement bas, restant à moins de 2 mètres du fond marin, au lieu de s'élever immédiatement plus haut dans la colonne d'eau comme cela avait été postulé.

"C'est une image assez différente de ce à quoi ressemblent ces panaches, par rapport à certaines conjectures", déclare le co-auteur de l'étude Thomas Peacock, professeur de génie mécanique au MIT. "Les efforts de modélisation des panaches miniers en haute mer devront tenir compte de ces processus que nous avons identifiés, afin d'évaluer leur étendue."

Les co-auteurs de l'étude incluent l'auteur principal Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon et Souha El Mousadik du MIT ; et Matthew Alford de la Scripps Institution of Oceanography.
Manœuvres en haute mer

Pour collecter les nodules polymétalliques, certaines sociétés minières proposent de déployer des véhicules de la taille d'un tracteur au fond de l'océan. Les véhicules aspireraient les nodules ainsi que des sédiments le long de leur chemin. Les nodules et les sédiments seraient ensuite séparés à l'intérieur du véhicule, les nodules étant envoyés par une colonne montante vers un navire de surface, tandis que la plupart des sédiments seraient évacués immédiatement derrière le véhicule.

Peacock et son groupe ont déjà étudié la dynamique du panache de sédiments que les navires de surface associés peuvent renvoyer dans l'océan. Dans leur étude actuelle, ils se sont concentrés sur l'extrémité opposée de l'opération, pour mesurer le nuage de sédiments créé par les collecteurs eux-mêmes.

En avril 2021, l'équipe a rejoint une expédition dirigée par Global Sea Mineral Resources NV (GSR), un entrepreneur belge en génie maritime qui explore la CCZ pour trouver des moyens d'extraire des nodules riches en métaux. Une équipe scientifique basée en Europe, Mining Impacts 2, a également mené des études distinctes en parallèle. La campagne était la première en plus de 40 ans à tester un véhicule de collection « pré-prototype » dans la CCZ. La machine, appelée Patania II, mesure environ 3 mètres de haut, s'étend sur 4 mètres de large et fait environ le tiers de la taille d'un véhicule à l'échelle commerciale.

Pendant que l'entrepreneur testait les performances de collecte de nodules du véhicule, les scientifiques du MIT surveillaient le nuage de sédiments créé dans le sillage du véhicule. Ils l'ont fait en utilisant deux manœuvres pour lesquelles le véhicule était programmé : un "selfie" et un "drive-by".

Les deux manœuvres débutent de la même manière, le véhicule partant en ligne droite, tous ses systèmes d'aspiration activés. Les chercheurs ont laissé rouler le véhicule sur 100 mètres, collectant les nodules sur son passage. Puis, dans la manœuvre « selfie », ils ont ordonné au véhicule d'éteindre ses systèmes d'aspiration et de faire demi-tour pour traverser le nuage de sédiments qu'il venait de créer. Les capteurs installés dans le véhicule ont mesuré la concentration de sédiments au cours de cette manœuvre de "selfie", permettant aux scientifiques de surveiller le nuage quelques minutes après que le véhicule l'ait agité.

Pour la manœuvre « drive-by », les chercheurs ont placé un amarrage chargé de capteurs à 50 à 100 mètres des trajectoires prévues du véhicule. Au fur et à mesure que le véhicule roulait en collectant des nodules, il a créé un panache qui s'est finalement propagé au-delà du mouillage après une heure ou deux. Cette manœuvre « drive-by » a permis à l'équipe de surveiller le nuage de sédiments sur une échelle de temps plus longue de plusieurs heures, en capturant l'évolution du panache.

À bout de souffle

Au cours de plusieurs parcours de véhicules, Peacock et son équipe ont pu mesurer et suivre l'évolution du panache de sédiments créé par le véhicule minier en haute mer.

"Nous avons vu que le véhicule roulerait dans de l'eau claire, en voyant les nodules sur le fond marin", a déclaré Peacock. "Et puis, tout à coup, il y a ce nuage de sédiments très pointu qui passe lorsque le véhicule entre dans le panache."

À partir des vues du selfie, l'équipe a observé un comportement qui avait été prédit par certaines de leurs études de modélisation précédentes : le véhicule a soulevé une grande quantité de sédiments suffisamment denses pour que, même après un certain mélange avec l'eau environnante, il ait généré un panache qui s'est comporté presque comme un fluide séparé, se répandant sous son propre poids dans ce qu'on appelle un courant de turbidité.

"Le courant de turbidité se propage sous son propre poids pendant un certain temps, des dizaines de minutes, mais ce faisant, il dépose des sédiments sur le fond marin et finit par s'essouffler", explique Peacock. "Après cela, les courants océaniques deviennent plus forts que la propagation naturelle, et les sédiments sont transportés par les courants océaniques."

Au moment où les sédiments ont dérivé au-delà du mouillage, les chercheurs estiment que 92 à 98% des sédiments se sont retombés ou sont restés à moins de 2 mètres du fond marin sous forme de nuage bas. Il n'y a cependant aucune garantie que les sédiments restent toujours là plutôt que de dériver plus haut dans la colonne d'eau. Des études récentes et futures de l'équipe de recherche se penchent sur cette question, dans le but de consolider la compréhension des panaches de sédiments miniers en eaux profondes.

"Notre étude clarifie la réalité de ce à quoi ressemble la perturbation initiale des sédiments lorsque vous avez un certain type d'exploitation minière de nodules", déclare Peacock. "Le gros point à retenir est qu'il existe des processus complexes tels que les courants de turbidité qui se produisent lorsque vous effectuez ce type de collecte. Ainsi, tout effort visant à modéliser l'impact d'une opération minière en haute mer devra capturer ces processus.

Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation, l'ARPA-E, le 11th Hour Project, la Benioff Ocean Initiative et Global Sea Mineral Resources. Les bailleurs de fonds n'ont joué aucun rôle dans aucun aspect de l'analyse de la recherche, déclare l'équipe de recherche.
NJC.© Info Massachusetts Institute of Technology (MIT)

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10/10/22-English

Measuring sediment plumes stirred up by Deep Sea Mining vehicles

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Image- Massachusetts Institute of Technology (MIT)

What will be the impact to the ocean if humans are to mine the deep sea? It’s a question that’s gaining urgency as interest in marine minerals has grown.

The ocean’s deep-sea bed is scattered with ancient, potato-sized rocks called “polymetallic nodules” that contain nickel and cobalt — minerals that are in high demand for the manufacturing of batteries, such as for powering electric vehicles and storing renewable energy, and in response to factors such as increasing urbanization. The deep ocean contains vast quantities of mineral-laden nodules, but the impact of mining the ocean floor is both unknown and highly contested.

Now MIT Ocean Scientists have shed some light on the topic, with a new study on the cloud of sediment that a collector vehicle would stir up as it picks up nodules from the seafloor.

The study, appearing in Science Advances, reports the results of a 2021 research cruise to a region of the Pacific Ocean known as the Clarion Clipperton Zone (CCZ), where polymetallic nodules abound. There, researchers equipped a pre-prototype collector vehicle with instruments to monitor sediment plume disturbances as the vehicle maneuvered across the seafloor, 4,500 meters below the ocean’s surface. Through a sequence of carefully conceived manoeuvres. the MIT scientists used the vehicle to monitor its own sediment cloud and measure its properties.

Their measurements showed that the vehicle created a dense plume of sediment in its wake, which spread under its own weight, in a phenomenon known in fluid dynamics as a “turbidity current.” As it gradually dispersed, the plume remained relatively low, staying within 2 meters of the seafloor, as opposed to immediately lofting higher into the water column as had been postulated.

“It’s quite a different picture of what these plumes look like, compared to some of the conjecture,” says study co-author Thomas Peacock, professor of mechanical engineering at MIT. “Modelling efforts of deep-sea mining plumes will have to account for these processes that we identified, in order to assess their extent.”

The study’s co-authors include lead author Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon, and Souha El Mousadik of MIT; and Matthew Alford of the Scripps Institution of Oceanography.
Deep-sea manoeuvres

To collect polymetallic nodules, some mining companies are proposing to deploy tractor-sized vehicles to the bottom of the ocean. The vehicles would vacuum up the nodules along with some sediment along their path. The nodules and sediment would then be separated inside of the vehicle, with the nodules sent up through a riser pipe to a surface vessel, while most of the sediment would be discharged immediately behind the vehicle.

Peacock and his group have previously studied the dynamics of the sediment plume that associated surface operation vessels may pump back into the ocean. In their current study, they focused on the opposite end of the operation, to measure the sediment cloud created by the collectors themselves.

In April 2021, the team joined an expedition led by Global Sea Mineral Resources NV (GSR), a Belgian marine engineering contractor that is exploring the CCZ for ways to extract metal-rich nodules. A European-based science team, Mining Impacts 2, also conducted separate studies in parallel. The cruise was the first in over 40 years to test a “pre-prototype” collector vehicle in the CCZ. The machine, called Patania II, stands about 3 meters high, spans 4 meters wide, and is about one-third the size of what a commercial-scale vehicle is expected to be.

While the contractor tested the vehicle’s nodule-collecting performance, the MIT scientists monitored the sediment cloud created in the vehicle’s wake. They did so using two manoeuvres that the vehicle was programmed to take: a “selfie,” and a “drive-by.”

Both manoeuvres began in the same way, with the vehicle setting out in a straight line, all its suction systems turned on. The researchers let the vehicle drive along for 100 meters, collecting any nodules in its path. Then, in the “selfie” manoeuvre, they directed the vehicle to turn off its suction systems and double back around to drive through the cloud of sediment it had just created. The vehicle’s installed sensors measured the concentration of sediment during this “selfie” manoeuvre, allowing the scientists to monitor the cloud within minutes of the vehicle stirring it up.

For the “drive-by” manoeuvre, the researchers placed a sensor-laden mooring 50 to 100 meters from the vehicle’s planned tracks. As the vehicle drove along collecting nodules, it created a plume that eventually spread past the mooring after an hour or two. This “drive-by” manoeuvre enabled the team to monitor the sediment cloud over a longer timescale of several hours, capturing the plume evolution.

Out of steam
Over multiple vehicle runs, Peacock and his team were able to measure and track the evolution of the sediment plume created by the deep-sea-mining vehicle.

“We saw that the vehicle would be driving in clear water, seeing the nodules on the seabed,” Peacock says. “And then suddenly there’s this very sharp sediment cloud coming through when the vehicle enters the plume.”

From the selfie views, the team observed a behaviour that was predicted by some of their previous modeling studies: The vehicle stirred up a heavy amount of sediment that was dense enough that, even after some mixing with the surrounding water, it generated a plume that behaved almost as a separate fluid, spreading under its own weight in what’s known as a turbidity current.

“The turbidity current spreads under its own weight for some time, tens of minutes, but as it does so, it’s depositing sediment on the seabed and eventually running out of steam,” Peacock says. “After that, the ocean currents get stronger than the natural spreading, and the sediment transitions to being carried by the ocean currents.”

By the time the sediment drifted past the mooring, the researchers estimate that 92 to 98 percent of the sediment either settled back down or remained within 2 meters of the seafloor as a low-lying cloud. There is, however, no guarantee that the sediment always stays there rather than drifting further up in the water column. Recent and future studies by the research team are looking into this question, with the goal of consolidating understanding for deep-sea mining sediment plumes.

“Our study clarifies the reality of what the initial sediment disturbance looks like when you have a certain type of nodule mining operation,” Peacock says. “The big takeaway is that there are complex processes like turbidity currents that take place when you do this kind of collection. So, any effort to model a deep-sea-mining operation’s impact will have to capture these processes.”

This research was supported, in part, by the National Science Foundation, ARPA-E, the 11th Hour Project, the Benioff Ocean Initiative, and Global Sea Mineral Resources. The funders had no role in any aspects of the research analysis, the research team states.
NJC.© Info Massachusetts Institute of Technology (MIT)

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10/10/22-NL

Het meten van sedimentpluimen die worden opgewekt door Deep Sea Mining-voertuigen

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Image- Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Wat zal de impact op de oceaan zijn als mensen de diepzee gaan ontginnen? Het is een vraag die steeds urgenter wordt naarmate de belangstelling voor mariene mineralen is toegenomen.

De diepzeebodem van de oceaan is bezaaid met oude rotsen ter grootte van een aardappel die "polymetallische knobbeltjes" worden genoemd en die nikkel en kobalt bevatten - mineralen waar veel vraag naar is voor de productie van batterijen, zoals voor het aandrijven van elektrische voertuigen en het opslaan van hernieuwbare energie, en als reactie op factoren zoals toenemende verstedelijking. De diepe oceaan bevat enorme hoeveelheden met mineralen beladen knobbeltjes, maar de impact van mijnbouw op de oceaanbodem is zowel onbekend als zeer omstreden.

Nu hebben MIT Ocean Scientists enig licht op het onderwerp geworpen, met een nieuwe studie over de wolk van sediment die een verzamelvoertuig zou opwekken als het knobbeltjes van de zeebodem oppikt.

De studie, die verschijnt in Science Advances, rapporteert de resultaten van een onderzoekscruise in 2021 naar een regio van de Stille Oceaan die bekend staat als de Clarion Clipperton Zone (CCZ), waar polymetallische knobbeltjes in overvloed aanwezig zijn. Daar rustten onderzoekers een pre-prototype verzamelvoertuig uit met instrumenten om verstoringen van de sedimentpluim te volgen terwijl het voertuig over de zeebodem manoeuvreerde, 4.500 meter onder het oppervlak van de oceaan. Door een opeenvolging van zorgvuldig uitgedachte manoeuvres. de MIT-wetenschappers gebruikten het voertuig om zijn eigen sedimentwolk te bewaken en de eigenschappen ervan te meten.

Hun metingen toonden aan dat het voertuig in zijn kielzog een dichte pluim van sediment creëerde, die zich onder zijn eigen gewicht verspreidde, in een fenomeen dat in de vloeistofdynamica bekend staat als een "troebelheidsstroom". Terwijl het zich geleidelijk verspreidde, bleef de pluim relatief laag en bleef binnen 2 meter van de zeebodem, in plaats van onmiddellijk hoger in de waterkolom te stijgen, zoals was gepostuleerd.

"Het is een heel ander beeld van hoe deze pluimen eruit zien, vergeleken met sommige vermoedens", zegt co-auteur Thomas Peacock, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT. "De modelleringsinspanningen van diepzeemijnbouwpluimen zullen rekening moeten houden met deze processen die we hebben geïdentificeerd, om hun omvang te beoordelen."

De co-auteurs van de studie zijn hoofdauteur Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon en Souha El Mousadik van MIT; en Matthew Alford van de Scripps Institution of Oceanography.
Diepzeemanoeuvres

Om polymetallische knollen te verzamelen, stellen sommige mijnbouwbedrijven voor om voertuigen ter grootte van een tractor op de bodem van de oceaan te plaatsen. De voertuigen zouden de knobbeltjes samen met wat sediment langs hun pad opzuigen. De knobbeltjes en het sediment zouden dan in het voertuig worden gescheiden, waarbij de knobbeltjes door een stijgbuis naar een oppervlaktevat worden gestuurd, terwijl het meeste sediment direct achter het voertuig wordt afgevoerd.

Peacock en zijn groep hebben eerder de dynamiek bestudeerd van de sedimentpluim die geassocieerde oppervlakte-operatievaartuigen terug in de oceaan kunnen pompen. In hun huidige onderzoek richtten ze zich op het andere uiteinde van de operatie, om de sedimentwolk te meten die door de verzamelaars zelf werd gecreëerd.

In april 2021 nam het team deel aan een expeditie onder leiding van Global Sea Mineral Resources NV (GSR), een Belgische aannemer van waterbouwkunde die de CCZ onderzoekt naar manieren om metaalrijke knollen te winnen. Een in Europa gevestigd wetenschappelijk team, Mining Impacts 2, voerde parallel ook afzonderlijke onderzoeken uit. De cruise was de eerste in meer dan 40 jaar die een "pre-prototype" verzamelvoertuig in de CCZ testte. De machine, Patania II genaamd, is ongeveer 3 meter hoog, heeft een breedte van 4 meter en is ongeveer een derde van wat een voertuig op commerciële schaal naar verwachting zal zijn.

Terwijl de aannemer de knollenverzamelprestaties van het voertuig testte, volgden de MIT-wetenschappers de sedimentwolk die in het kielzog van het voertuig werd gecreëerd. Ze deden dit met behulp van twee manoeuvres waarvoor het voertuig was geprogrammeerd: een 'selfie' en een 'drive-by'.

Beide manoeuvres begonnen op dezelfde manier: het voertuig vertrok in een rechte lijn en alle afzuigsystemen waren ingeschakeld. De onderzoekers lieten het voertuig 100 meter rijden en verzamelden eventuele knobbeltjes op zijn pad. Toen, in de "selfie" -manoeuvre, gaven ze het voertuig opdracht om de afzuigsystemen uit te schakelen en terug te keren om door de sedimentwolk te rijden die het net had gecreëerd. De geïnstalleerde sensoren van het voertuig hebben de concentratie van sediment gemeten tijdens deze "selfie" -manoeuvre, waardoor de wetenschappers de wolk binnen enkele minuten nadat het voertuig het roerde, in de gaten konden houden.

Voor de "drive-by" -manoeuvre plaatsten de onderzoekers een met sensoren beladen ligplaats op 50 tot 100 meter van de geplande sporen van het voertuig. Terwijl het voertuig langs het verzamelen van knobbeltjes reed, creëerde het een pluim die zich uiteindelijk na een uur of twee langs de ligplaats verspreidde. Deze "drive-by" -manoeuvre stelde het team in staat om de sedimentwolk over een langere tijdschaal van enkele uren te volgen en de evolutie van de pluim vast te leggen.

Geen stoom meer
Tijdens meerdere voertuigritten konden Peacock en zijn team de evolutie van de sedimentpluim die door het diepzeemijnvoertuig werd gecreëerd, meten en volgen.

"We zagen dat het voertuig in helder water zou rijden en de knobbeltjes op de zeebodem zouden zien", zegt Peacock. "En dan komt er plotseling een zeer scherpe sedimentwolk door wanneer het voertuig de pluim binnengaat."

Aan de hand van de selfie-beelden observeerde het team een ​​gedrag dat was voorspeld door enkele van hun eerdere modelstudies: het voertuig bracht een zware hoeveelheid sediment in beweging die zo dicht was dat het, zelfs na enige vermenging met het omringende water, een pluim opwekte die gedroeg zich bijna als een aparte vloeistof, die zich onder zijn eigen gewicht verspreidde in wat bekend staat als een troebelheidsstroom.

"De troebelheidsstroom verspreidt zich onder zijn eigen gewicht gedurende enige tijd, tientallen minuten, maar terwijl het dat doet, zet het sediment af op de zeebodem en raakt uiteindelijk uitgeput", zegt Peacock. "Daarna worden de oceaanstromingen sterker dan de natuurlijke verspreiding, en het sediment gaat over in de zeestromingen."

Tegen de tijd dat het sediment langs de ligplaats dreef, schatten de onderzoekers dat 92 tot 98 procent van het sediment ofwel weer neerzakte of binnen 2 meter van de zeebodem bleef als een laaggelegen wolk. Er is echter geen garantie dat het sediment altijd daar blijft in plaats van verder omhoog in de waterkolom te drijven. Recente en toekomstige studies door het onderzoeksteam onderzoeken deze vraag, met als doel het begrip voor diepzeemijnsedimentpluimen te consolideren.

"Onze studie verduidelijkt de realiteit van hoe de eerste sedimentverstoring eruitziet als je een bepaald type knollenmijnbouw hebt", zegt Peacock. “Het grote voordeel is dat er complexe processen zijn zoals troebelheidsstromen die plaatsvinden wanneer je dit soort verzameling doet. Dus elke poging om de impact van een diepzeemijnbouw te modelleren, zal deze processen moeten vastleggen.”

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation, ARPA-E, het 11th Hour Project, het Benioff Ocean Initiative en Global Sea Mineral Resources. De financiers hadden geen enkele rol in de onderzoeksanalyse, stelt het onderzoeksteam.
NJC.© Info Massachusetts Institute of Technology (MIT)

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