“開拓二號”：水晶宮里的尋寶利器

深海海底蘊藏的多金屬硫化物礦床、稀土金屬礦產等資源非常豐富，但要想在那里采礦卻非常困難，需要借助各種先進的技術和設備。2024年7月底，我國自行研制的“開拓二號”深海多金屬硫化物采礦車工程樣機成功完成海試。這意味著我國深海采礦技術和設備已處于世界先進水平，水晶宮的大門已向我們打開。

海底有個聚寶盆

“開拓二號”大致由行進系統、鉆采系統、感知系統?、控制系統、布放回收系統、環境綜合監測設備等部分組成。它長6米，寬3米，高2.5米，設計水深6000米，它在陸地上的重量約為14噸，在水中的重量約5.6噸。

此次海試，它連續在6級風和4級海況的條件下成功完成了5次著底采礦，海試水深首次突破4000米，最深達到4102.8米，并且還順利取回了200多千克的深海多金屬結殼、結核和硫化物。

全世界的海洋海底大約有15%都被多金屬結核和結殼所覆蓋。多金屬結核又被稱為“錳結核”，是一種由包圍核心的鐵、錳氫氧化物殼層組成的核形石。它因為形態為一層層的同心圓結核狀，并且富含鐵、錳、鎳、鈷、銅等多種金屬元素而得名。深海多金屬結殼則大多以“殼狀”的形態生長于大洋深處的硬質基巖上，其內富含錳、鈷、鉑、鎳、鉛、金、鈦、鈰等金屬元素。

我們在生產高級激光系統及激光設備、超導體、太陽能電池、航空航天器材等諸多方面都需要大量的金屬元素；而在陸地上，鈷、鉑等屬于較為稀缺的金屬元素。簡單地說，深海多金屬結核和結殼富含的這些金屬元素已經讓它們成了重要的深海戰略性礦產資源。

定位布放不容易

在深海采礦，除了“開拓二號”采礦車本身之外，搭載在其上的各種光學、聲學探測設備及各種管線、接口等都需要耐受得住深海的巨大水壓力。

水的壓力（P）按照公式計算是等于水的密度（ρ）乘重力加速度（g）再乘水深（h）；但各個海區的海水密度并不相同，以潛艇為例，它下潛至1000米時，施加在潛艇表面上的壓力就有100個左右的標準大氣壓，相當于每平方厘米受到水壓超過100千克；而“開拓二號”到達4000米深海時，海水壓力理論上大約是39.2兆帕，約400個大氣壓的壓力。簡單地說，一個成人在4000米深的海底所受的壓力相當于20個火車頭壓在他的身上。

顯而易見，即便是對于重達14噸的“開拓二號”采礦車進行布放也并不是一件容易的事。此次海試，“開拓二號”由“向陽紅03”號科考船搭載出海。“向陽紅03”號雖然是一艘4500噸級，配置有船載操控支撐等高科技裝備的科學考察船；但是，在現實中并沒有現成的能夠承受數千米巨大水壓和十幾噸拉扯力的用于連接“開拓二號”和科考船的線纜。如果使用傳統鋼纜，按照設計要求，6000米的深度其鋼纜本身的重量就會遠遠超過“開拓二號”的自重，因此到達一定深度之后就基本無法實施布放。

于是，我國科研人員自主研發了一款“非金屬芳綸材料光電復合臍帶纜”。芳綸是一種合成纖維，具有優異的化學穩定性，能夠抵抗弱酸、弱堿及大部分有機溶劑的侵蝕。同時它還具有超高強度、高模量和重量輕等纖維特性，在航空航天領域被大量使用；而光電復合臍帶纜則是一種將電能傳輸、光纖通信功能綜合在一起的集成混合臍帶纜。簡而言之，這就是一種采用芳綸纖維制造的具有超高強度并集合了電能傳輸和光纖通信功能的復合纜繩。

實踐證明，在“開拓二號”的布放過程中科學家利用智能精細控制技術進行了智能路徑規劃，完全實現了采礦車的深水精準定位。

環境保護別忘了

眾所周知，深海海底的地形復雜情況要遠超陸地。“開拓二號”不可避免地要遇到硬石、稀軟的工作環境，甚至還會面臨陡坡、崎嶇不平的工作環境。同時，多金屬結核等礦產又大多半埋在海底。因此，我國科學家要面臨的問題是既要讓“開拓二號”在硬石或崎嶇的海底安全行進，又要使得它在稀軟的海床上不會出現打滑等情況，還需要它能夠跨越一定度數的陡坡。更重要的是，“開拓二號”還必須完成一邊行進一邊采集礦產的任務。

為此，科學家給“開拓二號”設計了4條動力強勁的智能履帶。它的每1條履帶都能自主根據海底實際地形實時調整方向和狀態，定位精度可達厘米級。遇到實在無法越過的障礙，“開拓二號”就會自行選擇路線繞行。

在全世界范圍內，深海采礦可能對環境造成的不利影響越來越受到大家的重視。我國科學家特意將我們自主研發的深海環境監測裝置搭載在“開拓二號”上并進行布放。這樣，我們就獲得了深海采礦對海洋環境的擾動、揚塵、羽狀流等的第一手資料，對后續環境保護工作的開展意義重大。

所謂羽狀流，是指由河流、風或海底地質活動攜帶的沉積物，在海洋或湖泊等水體中形成的懸浮顆粒物羽狀分布現象。當然，在這里我們主要是指海底采礦形成的羽狀流。海底采礦自然會攪動海底沉積物，使它們懸浮在海水中，形成羽狀流現象。它可能會改變海水的透明度、營養鹽和微生物分布等環境因素，從而對海洋生物的生長和繁殖產生影響。

“開拓二號”深海多金屬硫化物采礦車工程樣機成功完成海試，實際上只是我國實施商業化開采深海海底礦產資源的第一步。也就是突破了核心裝備，深海采礦設備的研發；但對于商業開采來說，除了深海采礦車之外，還需要超長距離的礦產輸送管道及完善的水面支持系統等。