中国海洋大学科研团队聚焦深海采矿，研发高效、低环境扰动开采装备，从科研探索向产业化加速迈进
攻坚深海科技，青岛“掘金”万亿赛道
“青岛力量”攻坚深海采矿技术装备
采矿车：针对稀软海床，设计研究出仿生水牛蹄履齿，可以有效增加其30%最大牵引力。为实现高效采集，陈旭光团队研发了新型双排射流、附壁射流等采集头，采集效率提高至96%。
研发深海羽流絮凝剂：2024年将产品搭载到“蛟龙”号上，在5000多米深的海底顺利完成深海羽流絮凝实验。
深海羽流抑制装置随“蛟龙”号下潜实验。
今年政府工作报告提出，“开展新技术新产品新场景大规模应用示范行动，推动商业航天、低空经济、深海科技等新兴产业安全健康发展。”这是“深海科技”首次现身政府工作报告，充分彰显了国家对发展深海科技的重视程度，体现了对海洋强国战略的进一步深化。
深海科技通常是指针对水深超过200米的深海区域，为探索、开发和利用深海资源以及研究深海环境的一系列先进技术与装备的总称。东吴证券近日发布的研报将深海科技定义为十万亿元量级市场，称该产业未来有望成为经济新增长极。研报显示，深海科技作为国家战略性新兴产业的核心领域，正从科研探索向产业化加速迈进。
在涉海科研机构高度集聚的青岛，诸多研究团队都在聚焦深海科技发力，在深海探测、装备制造、资源开发等领域不断产出代表性成果。中国海洋大学陈旭光团队就是其中之一，致力于攻克关键技术难题，为深海采矿打下坚实基础。
要采矿，先“造车”
深海蕴藏着地球上远未被认知和开发的宝藏，但要得到这些宝藏，就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术。
“高新科技和新能源产业对金属矿产资源的需求日益增长，而陆地战略金属逐渐供不应求，世界各国纷纷将资源战略瞄向稀有金属蕴藏丰富的深海。多金属结核（PMN）、多金属硫化物（PMS）以及富钴结壳（CFC），被视为陆地金属矿产资源的潜在替代品，世界各国竞相开展深海采矿技术装备研究。”谈及开展深海采矿研究的背景，中国海洋大学教授陈旭光这样说。
战略金属是实现能源转型不可或缺的战略性资源。据世界银行预测，到2050年，为将全球气温增幅控制在2℃以下，钴、镍、锂等矿物需求量将增长超500%。研究显示，从深海中获取的金属资源品质和数量往往优于陆地矿石，PMN、PMS和CFC尤其具备巨大的商业价值。美国地质调查局指出，如果深海开采能实现商业化，截止2065年，人类对关键金属需求的35%至45%将来自深海开采。
“国际海底管理局监督和管理国际海底区域矿产资源的勘探和开采。目前，全球超过17个国家和组织已在三大洋申请海底资源勘探合同区，国际海底管理局批准设立了31个，其中我国拥有5个。”陈旭光说。他用一个具体的事例介绍海底矿产资源的价值：位于西太平洋的一个合同区，面积比山东省还大，土豆大小、富含矿物的多金属结核散布海底，“我们计算了一下，每一个‘土豆’价值约一元人民币。这相当于，一块山东省大小的海底区域，密密麻麻全是一元的硬币。”
但要想把这些深海矿产资源高效开采出来，就必须研发出深海采矿技术与装备。实际上，深海采矿商业化是否成功很大程度上取决于其技术与装备的先进性。这正是陈旭光团队的研究方向，关注深海采矿技术装备发展，致力于深海多金属结核开采研究。
采矿车是深海采矿的核心装备之一，它行走在海床表面并进行矿石收集作业。在中国海洋大学实验室里，记者看到了陈旭光团队研发的采矿车样机，正利用底盘上安装的履带在人工模拟的海底沉积物上进行行走试验。“深海海底是极其软黏的底质，对采矿车的结构设计和行走性能提出了高要求。”陈旭光表示，他们从水牛蹄在沼泽地的行走中受到启发，针对稀软海床，设计研究出仿生水牛蹄履齿，可以有效增加其30%最大牵引力，提升深海稀软土上履带式矿车的牵引性能，为解决矿车沉陷、打滑问题打下了坚实基础。
采矿车在海底“走得稳”是基础，实现高效采集是最终目的。陈旭光介绍，采矿车的收集方法主要分为机械收集和水力收集。机械收集利用旋转链齿、梳状铲，像是用梳子把海底的矿物“梳”起来，虽然能耗较低，但容易损坏海底环境。水力收集包括抽吸式、附壁射流和双排射流等方式，原理是通过抽吸或喷射水流等方式，将矿物“吸”入采矿车内，优点是结构简单、对沉积物层影响小、地形适应性强，缺点是能耗较高。目前，水力收集方法更受各国青睐。在国家杰出青年科学基金“海洋岩土力学与海底工程”、国家重点研发计划“深海多金属结核新型流态化采矿模式及其原理样机研究”等项目支持下，陈旭光团队研发了新型双排射流、附壁射流等采集头，采集效率提高至96%。后续，他们将与招商局集团等龙头企业合作，进一步提升采矿车的作业性能。
关心采集效率，也注重环境友好
在深海采矿方面，陈旭光团队聚焦采集效率的同时，也注重环境友好。
“深海采矿会对海洋生态环境造成诸多影响，例如海底开采活动会改变底栖环境、干扰海底生物。”陈旭光说，这是全球面临的共同问题，也是深海采矿尚未实现大规模商业开采的一个重要原因。
陈旭光拿多金属结核举例说，这种矿产覆盖在海底沉积物上，在开采该矿产的过程中，必然会对海底周围环境造成扰动。“业界把这里的海底沉积物称为‘稀软土’，顾名思义，就是半流体状、软弱的土。它主要是由海底火山灰、生物残骸、宇宙尘埃等组成，颗粒细小，一般1至10微米左右。据研究，大约1000年沉积0.1至5毫米。”陈旭光说，采矿车一旦工作，容易扰动海底沉积物，让海底沉积物如同尘埃一样四散，引发烟雾状的深海羽流，就像“深海雾霾”。
多国研究显示，采矿车搅起的深海羽流借助洋流可能会扩散数十公里，导致滤食生物窒息。此外，采矿系统泵机作业时连续轰鸣，噪音容易干扰鲸类之间的声呐通信。海底生物生长缓慢，采矿区的恢复或许需要数百年甚至上千年。
从减少扰动的角度出发，陈旭光带领团队着力攻关，努力在海底采矿的同时，抑制海底沉积物形成深海羽流，或让形成的深海羽流快速沉降。他们在实验室进行了三年的实验，以降低生成、抑制扩散和加速沉降作为关注点，研发让深海羽流快速絮凝的羽流抑制产品。
“简单来说，就是研发一个设备和一种喷剂，通过在深海喷洒的方式，把深海羽流中的小颗粒快速聚集成大颗粒，使其通过自身重力快速沉降到海底。”陈旭光解释说，他们最初以陆源材料进行研发，但后来考虑到国际海洋界拒绝陆源物质进入深海，特别是进入深海海底，于是转变方向，最终以海藻为原料，研发出了具有“绿色”属性的深海羽流絮凝剂。
随后，陈旭光团队在实验室里进行了絮凝剂模拟实验。2024年，又将产品搭载到“蛟龙”号上，在5000多米深的海底顺利完成深海羽流絮凝实验。“你看，喷洒絮凝剂后，一个个细小的深海颗粒物很快‘抱团’、絮凝，形成了类似果冻的质地，很快就沉降了。”陈旭光拿出“蛟龙”号拍摄的视频证实他们的产品效果，“这为解决深海采矿环境扰动问题提出了一个新思路和新方法：絮凝促沉降的深海羽状流抑制方法。”
眼下，陈旭光还在带领团队对深海羽流抑制装置进行优化升级。“目前，我们在实验室里制备絮凝剂的成本还比较高，希望随着工艺的改进、应用规模的扩大，价格能不断降低，未来真正服务于深海采矿产业发展。”他展望说。（青岛日报/观海新闻首席记者 李勋祥）
青岛日报2025年3月24日2版
责任编辑：孙源熙