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“开拓二号”4000米下海底“挖宝”——“开拓”系列深海采矿车首席科学家杨建民专访

2024-09-10     三亚日报    

  今年6月,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”在三亚完成总装建造、调试和功能性试验后,远赴西太平洋顺利完成海试,首次突破国内深海重载作业采矿车海试水深4000米大关。

  这是“国之重器”服务国家海洋强国战略的一次重大突破。在教育部、上海市和海南省的大力支持下,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院讲席教授、上海交通大学海南研究院名誉院长杨建民牵头并担任首席科学家,带领团队率先开展深海重载作业技术与装备研究,先后成功研发了“开拓一号”和“开拓二号”深海重载作业采矿车等多型深海装备。

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  国之重器,十年磨剑

  日前,本报记者对杨建民进行独家专访,听他讲述深海利器“开拓二号”从海底探到了哪些“宝”,又为何被誉为中国深海采矿的科技先锋。

  “我们国家是世界上最大的矿产资源消费国,特别是钴、镍、铜、锰等矿产资源,对外依存度达70%以上。而海洋则蕴藏着丰富的矿产资源。”杨建民表示,20世纪90年代,国家就已经开展了深海勘探工作,并取得了丰硕的成果。然而,如何有效地开采深海矿产资源却成了一个亟待解决的难题。

多金属结核样品。 记者 陈聪聪 摄

  “深海矿产资源一般储存在1000米到6000米水深范围内。”杨建民举例说,如多金属结壳主要分布在七八百米到2000米的水深,多金属硫化物一般在1000多米到3000米水深之间,而多金属结核储存更深,一般在4000米到6000米的水深范围内。

多金属结壳样品。 记者 陈聪聪 摄

  “在浩瀚无垠的海洋深处储存着丰富的矿产资源。然而,深海的极端环境对人类的科技提出了前所未有的挑战。”杨建民介绍,长期以来,深海采矿在国际上存在三大技术难题:首先是矿区海底地形异常复杂,装备安全行进困难;其次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;最后是深海重载作业装备在海上风浪大等高危险作业条件下,安全布放回收困难。

  2013年,上海交通大学开始自主研制深海采矿车。杨建民同科研团队在采集、运输及水上平台技术支持等方面,开展了大量的前期实验工作。“深海采矿车是核心技术。”杨建民表示,科研团队采取了分步骤、分阶段、分目标的方式,稳步推进“开拓”系列深海采矿车的研制工作。

  “‘开拓一号’的研制主要是攻关深海智能行走、智能感知环境等技术。”杨建民表示,2021年8月,“开拓一号”深海采矿车研制成功,并在南海1305米水深进行海试。按照规划路径,它可以自主行进,达到了阶段性实验目标。

  据悉,“开拓一号”深海采矿车在不同海区分别布放至108米、246米和1305米等多个水深的海底,成功完成重载装备海上布放回收、海底路径规划与自主行走、海底矿石采集与沉积物取样等试验,突破了深水大功率液压、高压电力能源供给、信号传输与智能控制、水下布放回收姿态自动控制、海底行走与矿石采集等深海重载作业装备研发的关键技术。

  在“开拓一号”海试成功后,杨建民同科研团队立刻启动了“开拓二号”的研制工作。“‘开拓二号’研制目标更高,它是按照6000米水深进行设计,而且还要求具有工程化开采能力。”杨建民表示,在两年半的研制时间里,上海和三亚两地投入了大量的科研力量来做这项工作,并最终获得了历史性突破。

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  六大“突破”,创造历史

  今年6月,“开拓二号”在西太平洋4102.8米深的海底挖“宝”,成功取回深海多金属结壳与结核样品,标志着中国深海矿产资源开发关键技术研究与装备研制取得重大突破。

  “本次海试从6月19日启航,6月28日返航,航程超过1840公里。团队在西太平洋多金属结壳与结核海区开展海底行进、矿物开采、布放回收等全系统联调联试。在克服6级风、4级海况条件下,成功实现了国内同类研究的六大‘突破’。”历经十多年的科研攻关,杨建民同科研团队收获了深海科技的丰硕成果。

  “我们首次实现了深海重载作业采矿车布放作业水深突破4000米的大关。”杨建民表示,在连续5天的海试中,“开拓二号”每天完成1个潜次,分别达到1802.4米、1929.9米、1955.8米、2048.5米和4102.8米的深度。

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”海试现场(无人机照片,6月22日摄)。新华社发

  “我们还首创了深海复杂海底地形高机动行进技术,实现了在各种复杂海底地形的安全、稳定行进。”杨建民介绍,无论是坡度达30多度的陡峭、崎岖海山,还是由高粘性稀软沉积物堆积的海底“滩涂”,“开拓二号”都能顺利完成海底行走实验。

  此外,团队还首创深海多矿类复合钻采技术,实现了对多金属结壳、多金属结核等不同类型矿石高效开采与收集。杨建民表示,“开拓二号”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多千克的多金属结壳、多金属结核、海底基岩等各类深海矿产样品。

  在控制技术方面,团队首创深水重载作业智能精细控制技术,形成了作业路径智能规划、跟踪与避障能力,实现深水厘米级精准定位。同时,还首创了非金属缆深海重载布放回收技术,实现4100米水深重载装备布放回收,其安全工作负载等指标位居国内前列。

  值得一提的是,“开拓二号”还创新搭载了环境监测评估系统,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。

  “2021年‘开拓一号’实现了下潜1305米水深的目标,今年‘开拓二号’又突破4000米大关……”杨建民说,“开拓”系列深海采矿车还将继续迭代,在深蓝征途中不断探索前行。

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  深海科技,三亚力量

  2019年7月,上海交通大学积极响应国家关于海南自贸港建设的重大战略决策,率先在海南省进行规划布局,成立上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院。

  “研究院成立初期,我们主要聚焦深海科技的发展,并重点研究深海重载作业装备。”杨建民表示,三亚在深海重载作业装备研究方面具有得天独厚的优势。

  “首先,海南自贸港建设有力推动了深海科技发展。”杨建民坦言,虽然“开拓一号”“开拓二号”是上海市的科研立项项目,但在海南省获得了各方的大力支持。

  “三亚具有临海优势,有利于开展实海实验。三亚地理位置优越,距离千米水深海域仅约100海里,科考船从三亚出港到抵达深海,可实现当天往返。”杨建民介绍,三亚临海优势可以让设备进入到实海、深海,从而在海洋中全面检验设备性能,实现了把设备从实验室搬进海洋的跨越。

  此外,杨建民对崖州湾科技城配套设备给予了高度评价。“研究院成立后,我们建立了百泰实验室,南山港也提供了配套的仓库实验室,这为‘开拓一号’‘开拓二号’的研究、组装、调试以及实海实验等工作提供了极大便利。”

  据悉,今年5月,在崖州湾科技城南山港,科研团队克服炎热高温、突发强对流天气等不利因素,先后完成“开拓二号”系统水下联调联试、复杂地形行进越障、多金属硫化物模拟截割等功能性试验。同时,还对海底四履带自适应行进、海底硫化物一体化钻采、深水大功率液压、深水高压输配电、水下环境感知与智能控制等8项关键子系统进行了全面测试与验证。

  今年2月,为进一步加强支持海南自贸港建设,上海交通大学以崖州湾深海科技研究院为基础,联合海南国际医学中心、海南区块链研究院,共同组建上海交通大学海南研究院,为上海交通大学在海南省全部科研教育资源的唯一总体管理单位。

“开拓二号”在三亚南山港调试。

  “在现有的‘开拓二号’基础上,我们还将研制潜水更深、功能更强、产业化程度更高的深海重载作业采矿车。”杨建民表示,未来,深海重载采矿车不仅可以实现多金属采矿作业,还可以实现对可燃冰、稀土等资源采集。“我相信,深海采矿的技术发展以及产业形成,很快就能达到目标。这其中,三亚是不可替代的力量。”

  开拓二号

  长6.0米 宽3.0米 高2.5米 空气中重量约14.0吨

  西太平洋海试

  在海底多金属结壳与结核矿区,连续成功完成5次下潜,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

  六大“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,达到4102.8米,并获得了200多千克的多金属结壳、多金属结核、海底基岩等各类深海矿产样品;

  ★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,实现4100米水深重载装备布放回收,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,采矿车同时搭载着环境监测系统,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。

  (三亚传媒融媒体记者 王昊 整理)



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