Na całym świecie rośnie zapotrzebowanie na surowce mineralne. Jednocześnie obecnie wykorzystywane złoża kurczą się i stają się coraz kosztowniejsze i trudniejsze w eksploatacji. Tymczasem wielkie i bogate złoża najróżniejszych surowców leżą nienaruszone… pod wodą.
Jednym z czynników, które czynią górnictwo lądowe coraz mniej opłacalnym jest rosnący współczynnik nadkładu, a więc ilość skał, które należy usunąć, by dostać się do pokładów surowca (nadkład) wraz z ilością odpadów produkcyjnych w stosunku do jednej tony surowca. Obecnie, ze względu na duży popyt eksploatuje się złoża zawierające nawet śladowe ilości surowców (nieraz poniżej 1%). Tymczasem oceany skrywają złoża o wielokrotnie większej zawartości surowców. Co więcej wiele z nich jest położonych bezpośrednio na dnie morza. Szacuje się też, że oceaniczne zasoby surowcowe są wiele tysięcy razy większe od lądowych. Także na powierzchni kontynentów znajduje się wiele złóż surowców, położonych pod wodą. Są to np. dawne kopalnie, zalane wodą. Podczas gdy w 2015 roku jedną trzecią paliw płynnych pozyskano z odwiertów podwodnych, jak dotąd nie rozpoczęto jeszcze eksploatacji podwodnych złóż surowców stałych na skalę przemysłową. Oprócz problemów natury legislacyjnej i związanej z ochroną środowiska, eksploatacja podwodnych złóż surowców niesie ze sobą także wyzwania o charakterze technicznym. Na całym świecie prowadzone są przedsięwzięcia, mające na celu zbadanie możliwości zużytkowania potencjału złóż ukrytych pod wodą.
¡VAMOS! Project
Jednym z takich przedsięwzięć jest projekt Vamos (Viable Alternative Mine Operating System), realizowany w ramach programu Horizon 2020, ma na celu umożliwienie wykorzystania i rewitalizacji nieużytkowanych i opuszczonych złóż rzadkich surowców mineralnych w Europie. Wśród założeń projektu są m.in. opracowanie prototypu zdalnie sterowanego podwodnego systemu górniczego, umożliwiającego kruszenie i wydobycie surowca w warunkach podwodnych, systemu transportowania kruszywa, a także zestawu technologii wizyjnych, sensorycznych i nawigacyjnych, przezwyciężających istniejące ograniczenia i umożliwiających operowanie w warunkach ograniczonej widoczności i w trudnym środowisku. Ponadto działanie systemu powinno nie powinno wiązać się ze znaczną ingerencją w środowisko naturalne.
Opracowany w ramach projektu system wydobywczy składa się z kilku komponentów. Zdalnie sterowany pojazd podwodny, wyposażony w ramię robotyczne z wymienialnymi narzędziami, głowicę kruszącą, pochłaniacz śrubowy i rurociąg połączony ze statkiem LARV (Launch and Recovery Vessel). Zacumowany na powierzchni statek za pomocą elastycznego rurociągu pobiera wydobyty surowiec i transportuje go na ląd, gdzie odbywa się proces odsączania wody, która następnie jest spuszczana z powrotem do zbiornika. Statek jest także przystosowany do opuszczania pojazdu na dno i wyciągania go na powierzchnię. Za jego pośrednictwem przebiega także łączność i zasilanie pojazdu. Cały system wykorzystuje energię elektryczną pozyskiwaną z generatorów spalinowych.
Z kolei za nawigację i świadomość sytuacyjną systemu odpowiada HROV/AUV (Hybrid Remote Controlled/Autonomic Underwater Vehicle), czyli hybrydowy zdalnie sterowany pojazd podwodny z możliwością pracy w trybie autonomicznym, pozycjonowany względem pojazdu wydobywczego i zapewniający monitoring działania i parametrów systemu wydobywczego w czasie rzeczywistym.
Obsługa podwodnej maszyny górniczej wykorzystuje dedykowany system kontroli i sterowania, uwzględniający całokształt danych pomiarowych w środowisku VR (rzeczywistości wirtualnej). Orientację w przestrzeni zapewnia połączenie odczytu z sonarów w układzie krótkiej linii bazowej (z wykorzystaniem anten sonarowych do triangulacyjnego określenia pozycji obiektu pod wodą) ze wskazaniami systemu nawigacji inercyjnej. Funkcjonowanie pojazdu wydobywczego monitorowane jest przez kamery, sonar wielowiązkowy i system światła strukturalnego. Przebieg misji jest planowany w oparciu o trójwymiarowe odwzorowanie VR i monitorowany w czasie rzeczywistym, niezależnie od warunków panujących pod wodą, np. ograniczających widoczność.
Oczekuje się, że podczas eksploatacji złóż znajdujących się pod wodą, stabilność ścian wyrobiska umożliwi bardziej strome i głębsze wykopy, tym samym przyczyniając się do redukcji współczynnika nadkładu, oszczędności czasu i energii. Nie będą wymagane także procesy pomocnicze, takie jak odwadnianie wyrobiska czy detonowanie materiałów wybuchowych. Nie będzie hałasu i pyłu. Wysoki poziom automatyzacji zaś wiąże się z wzrostem bezpieczeństwa personelu, który przebywa w znacznej odległości od miejsca wydobycia. Przeprowadzone jesienią ubiegłego roku próby w Lee Moor w hrabstwie Devon w Anglii oraz trwające obecnie testy w Silvermines w hrabstwie Tipperary w Irlandii pomogą zweryfikować te założenia.
Nautilus Minerals
Zarejestrowana w Kanadzie firma Nautilus Minerals jest z kolei pionierem we wdrażaniu rozwiązań umożliwiających eksploatacje złóż surowców położonych na dnie oceanu. Prowadzone przez nią na przestrzeni wielu lat badania zaowocowały identyfikacją perspektywicznych obszarów Pacyfiku, bogatych w złoża miedzi, złota i innych metali. Firma uzyskała stosowane pozwolenia i przygotowuje się do rozpoczęcia eksploatacji złoża Solwara 1, położonego na Morzu Bismarcka, w pobliżu Nowej Gwinei. Właśnie tam, niemal bezpośrednio na dnie oceanu, znajdują się struktury mineralne, znane jako zwarte siarczki głębinowe – SMS (Seafloor Massive Sulfides), powstałe w wyniku procesów chemicznych na granicy litosfery i oceanu. W wyniku aktywności wulkanicznej z dna unoszą się strumienie wrzącej wody, bogatej w składniki mineralne. W zetknięciu z zimną i słoną wodą oceanu minerały wytrącają się, tworząc skalne kominy, zawierające miedź, cynk, a także złoto i srebro. I kiedy eksploatowane na lądzie złoża zawierają ok. 0,6 % miedzi oraz 6 g złota na tonę, złoża Solwara zawierają ponad 7% miedzi i 20 g złota na tonę.
Złoże Solwara 1 położone jest na głębokości 1600 m. Tu wszystko jest trudniejsze niż na lądzie. Wymagającym warunkom otoczenia ma sprostać system wydobywczy, opracowany specjalnie do tego celu. Składa się on z podwodnych maszyn górniczych SPT (Seafloor Production Tools), układu transportowego LRS (Lifting and Rising System) oraz statku wsparcia PSV (Production Support Vessel).
Wydobycie i gromadzenie surowca zostało podzielone między trzy niezależne maszyny, z których każda waży od 200 do 330 ton. Auxiliary Cutter to kruszarka, mająca za zadanie wstępne przygotowanie terenu. Następnie do akcji wkracza Bulk Cutter, kombajn górniczy wykopujący i gromadzący surowiec. Trzecia maszyna, Collecting Machine, pobiera zebrany materiał i rozdrabnia go z wodą morską. W takiej postaci surowiec jest pompowany elastycznym przewodem do stacji pomp na dnie morza, skąd trafia na pokład PSV.
PSV to specjalnie zaprojektowany statek, na którym obecnie trwa integracja wszystkich systemów. Na jego pokładzie znajdują się m.in. generatory elektryczne dostarczające energii do wszystkich podzespołów systemu. Statek też przygotowano do transportu maszyn górniczych i ich opuszczania na dno. Specjalny wyciąg o udźwigu ok. 350 t musiał zostać tak skonstruowany, by obsługiwać liny nośne oraz kable zasilania i łączności o długości ponad 2 km na otwartym morzu, co wymagało zastosowania układu kompensowania ruchu fal.
Każda z maszyn wydobywczych jest połączona ze statkiem kablem, zawierającym światłowodowe łącza komunikacyjne i przewody zasilania elektrycznego. Zdalne sterowanie odbywa się z centrum kontroli, lub też, w przypadku rutynowych działań, w sposób automatyczny. Jak tłumaczy dr Stef Kapusniak z Soil Machine Dynamics (SMD), firmy odpowiedzialnej za opracowanie i budowę maszyn wydobywczych dla Nautilus Minerals, kluczem do stabilnej kontroli maszyn zanurzonych na głębokości 1600 m jest potężny system nawigacji i świadomości sytuacyjnej. Maszyny są pozycjonowane względem wyznaczonego punktu za pomocą triangulacji i nawigacji inercyjnej. Systemy wizyjne działają w oparciu o kombinacji danych z różnych źródeł, m.in. kamer, sonaru, lidaru i skanera światła strukturalnego, w zależności od warunków. Bardzo często podstawą orientacji są sonary wielowiązkowe, szczególnie wtedy, gdy widoczność przesłaniają kłęby czarnego dymu, emitowanego przez kominy SMS.
Wymagającym warunkom muszą sprostać także podzespoły konstrukcji maszyn podwodnych i wszystkie podsystemy. W porównaniu do maszyn lądowych – wyjaśnia Kapusniak – wiąże się to z koniecznością zastosowania specjalnych uszczelnień i połączeń, zaś wszystkie systemy elektroniczne, które nie są wodoodporne, muszą zostać zabudowane w szczelnych osłonach, odpornych na zmiany ciśnienia. Z kolei systemy hydrauliczne wymagają instalacji kompensującej wahania ciśnienia związane ze zmianami głębokości. Maszyny wyposażono także w elektrochemiczną instalację antykorozyjną, z anodami rozmieszczonymi strategicznie w różnych punktach konstrukcji.
Nautilus Minerals dysponuje już gotowymi maszynami wydobywczymi, przygotowane zostały także specjalne przewody i liny nośne. W tym roku miał miejsce montaż specjalnych wyciągów na pokładzie statku PSV. Firma czeka na zakończenie prac stoczniowych i wciąż poszukuje inwestorów. To pionierskie przedsięwzięcie przeciera szlaki, którymi być może w przyszłości podążą także inni.
Global Sea Mineral Resources
Nieco inne podejście prezentuje GSR, spółka córka DEME Group, która bada możliwości eksploatacji zupełnie innego rodzaju złóż oceanicznych, a mianowicie konkrecji polimetalicznych, czyli konglomeratów narosłych na osnowie biogenicznej bądź mineralnej, zawierających mangan, żelazo, kobalt, miedź i metale ziem rzadkich. Występują one w postaci grudek o średnicy od kilku do kilkunastu cm, zalegających bezpośrednio na dnie oceanu na głębokości 4000-6000 m. Za złoże rudonośne przyjmuje się obszar dna morskiego, ze współczynnikiem konkrecjonośności rzędu 5 kg/m2. Jednym z takich obszarów jest strefa spękań oceanicznych Clarion Clipperton. Znajdujące się tam nagromadzenie konkrecji zawiera więcej niklu, manganu i kobaltu niż wszystkie lądowe zasoby razem wzięte. GSR bada możliwość eksploatacji tych złóż na skalę przemysłową. Ostatnio zaprezentowano pojazd Patania II, łączący podwozie gąsienicowe, typowe dla podwodnych pojazdów eksploracyjnych, z kombajnem ssącym do pozyskiwania konkrecji. W przyszłym roku pojazd wyruszy na swoją pierwszą ekspedycję.
Patania II została zbudowana w zakładach De Mayera w Temse. Ma 12 m długości, 4 m szerokości, 4,5 m wysokości i waży 25 t. Jej konstrukcja, kryjąca liczne systemy elektroniczne, zbudowana ze specjalnych tworzyw i lekkich stali, jest przystosowana do pracy w środowisku głębinowym, gdzie ma wytrzymać ciśnienie rzędu 500 bar. Kontrolowany zdalnie, za pośrednictwem ponad 5 kilometrowego kabla robot ma osiągać roboczą prędkość 0,5 m/s. Zainstalowany na głębokości 500 m system boi ma monitorować pracę maszyny i dostarczać danych dotyczących wpływu na środowisko. Kris Van Nijen, dyrektor zarządzający DSR, zapewnia, że zbiór konkrecji nie pociągnie za sobą takich konsekwencji, jak te, które wiążą się z wydobyciem ropy. – W końcu jedynie przesypujemy piasek – żartuje.
Rezultatami dziewiczej wyprawy Patanii II może być zainteresowana także Polska, bowiem na mocy konwencji Narodów Zjednoczonych o prawie morza z 1982 roku nasz kraj dysponuje fragmentem złóż konkrecji polimetalicznych właśnie w strefie Clarion Clipperton. Badaniem potencjału tego złoża zajmuje się konsorcjum Interoceanmetal Joint Organization (IOM), w którym oprócz Polski uczestniczą Bułgaria, Kuba, Rosja, Czechy i Słowacja. Jeśli przedsięwzięcia Vamos Project, Nautilus Minerals czy DSR powiodą się, w najbliższej dekadzie możemy mieć do czynienia z przełomem w zakresie górnictwa podwodnego, co wiązać się może ze znacznymi zmianami na rynku surowców mineralnych.
Jacek Zbierski
vamos-project.eu
nautilusminerals.com
deme-group.com
iom.gov.pl
artykuł pochodzi z wydania 11 (134) listopad 2018
