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2022-09-22Los científicos del océano miden la columna de sedimentos agitada por un vehículo de minería en aguas profundas

MIT |Un nuevo estudio de campo revela un proceso dinámico de fluidos previamente no observado que es clave para evaluar el impacto de las operaciones mineras en aguas profundas.

¿Cuál será el impacto en el océano si los humanos extraen las profundidades del mar? Es una pregunta que está cobrando urgencia a medida que crece el interés en los minerales marinos.

El lecho marino profundo del océano está salpicado de rocas antiguas del tamaño de una patata llamadas "nódulos polimetálicos" que contienen níquel y cobalto, minerales que tienen una gran demanda para la fabricación de baterías, como para alimentar vehículos eléctricos y almacenar energía renovable, y en respuesta a factores como el aumento de la urbanización. Las profundidades del océano contienen grandes cantidades de nódulos cargados de minerales, pero el impacto de la minería en el fondo del océano es desconocido y muy discutido.

Ahora, los científicos oceánicos del MIT han arrojado algo de luz sobre el tema, con un nuevo estudio sobre la nube de sedimentos que un vehículo recolector agitaría al recoger nódulos del fondo marino.

El estudio, que aparece hoy en Science Advances, informa los resultados de un crucero de investigación de 2021 a una región del Océano Pacífico conocida como la Zona Clarion Clipperton (CCZ), donde abundan los nódulos polimetálicos. Allí, los investigadores equiparon un vehículo colector preprototipo con instrumentos para monitorear las perturbaciones de la columna de sedimentos mientras el vehículo maniobraba a través del lecho marino, a 4.500 metros debajo de la superficie del océano. A través de una secuencia de maniobras cuidadosamente concebidas. los científicos del MIT usaron el vehículo para monitorear su propia nube de sedimentos y medir sus propiedades.

Sus mediciones mostraron que el vehículo creó una densa columna de sedimentos a su paso, que se esparció por su propio peso, en un fenómeno conocido en dinámica de fluidos como “corriente de turbidez”. A medida que se dispersaba gradualmente, el penacho se mantuvo relativamente bajo, dentro de los 2 metros del lecho marino, en lugar de elevarse inmediatamente más alto en la columna de agua como se había postulado.

"Es una imagen bastante diferente de cómo se ven estos penachos, en comparación con algunas de las conjeturas", dice el coautor del estudio Thomas Peacock, profesor de ingeniería mecánica en el MIT. “Los esfuerzos de modelado de penachos de minería en aguas profundas tendrán que tener en cuenta estos procesos que identificamos, para evaluar su alcance”.

Los coautores del estudio incluyen al autor principal Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon y Souha El Mousadik del MIT; y Matthew Alford de la Institución Scripps de Oceanografía.

Maniobras en alta mar

Para recolectar nódulos polimetálicos, algunas empresas mineras proponen desplegar vehículos del tamaño de un tractor en el fondo del océano. Los vehículos aspirarían los nódulos junto con algunos sedimentos a lo largo de su camino. Luego, los nódulos y el sedimento se separarían dentro del vehículo y los nódulos se enviarían a través de un tubo ascendente hasta un recipiente de superficie, mientras que la mayor parte del sedimento se descargaría inmediatamente detrás del vehículo.

Peacock y su grupo han estudiado previamente la dinámica de la columna de sedimentos que los buques de operación de superficie asociados pueden bombear de regreso al océano. En su estudio actual, se centraron en el extremo opuesto de la operación, para medir la nube de sedimentos creada por los propios colectores.

En abril de 2021, el equipo se unió a una expedición dirigida por Global Sea Mineral Resources NV (GSR), un contratista de ingeniería marina belga que está explorando la CCZ en busca de formas de extraer nódulos ricos en metales. Un equipo científico con sede en Europa, Mining Impacts 2, también realizó estudios separados en paralelo. El crucero fue el primero en más de 40 años en probar un vehículo de colección "pre-prototipo" en la CCZ. La máquina, llamada Patania II, mide unos 3 metros de alto, se extiende 4 metros de ancho y tiene aproximadamente un tercio del tamaño de lo que se espera que sea un vehículo a escala comercial.

Mientras el contratista probaba el rendimiento de recolección de nódulos del vehículo, los científicos del MIT monitorearon la nube de sedimentos creada en la estela del vehículo. Lo hicieron usando dos maniobras que el vehículo estaba programado para tomar: una “selfie” y un “drive-by”.

Ambas maniobras se iniciaron de la misma manera, con el vehículo en marcha en línea recta, con todos sus sistemas de aspiración activados. Los investigadores dejaron que el vehículo recorriera 100 metros, recogiendo cualquier nódulo a su paso. Luego, en la maniobra de "selfie", ordenaron al vehículo que apagara sus sistemas de succión y diera la vuelta para conducir a través de la nube de sedimento que acababa de crear. Los sensores instalados en el vehículo midieron la concentración de sedimentos durante esta maniobra de "selfie", lo que permitió a los científicos monitorear la nube minutos después de que el vehículo la agitara.

Una película del vehículo colector pre-prototipo Patania II entrando, conduciendo y saliendo de la columna de corriente de turbidez baja como parte de una operación de selfie. A modo de escala, el puesto de instrumentación adjunto a la parte delantera del vehículo alcanza unos 3 m por encima del lecho marino. La película se acelera por un factor de 20. Crédito: Recursos minerales marinos globales

Para la maniobra de "desplazamiento", los investigadores colocaron un amarre cargado de sensores de 50 a 100 metros de las pistas previstas del vehículo. A medida que el vehículo avanzaba recogiendo nódulos, creó una columna que eventualmente se extendió más allá del amarre después de una o dos horas. Esta maniobra de "desplazamiento" permitió al equipo monitorear la nube de sedimentos durante una escala de tiempo más larga de varias horas, capturando la evolución de la pluma.

Fuera de vapor

Durante múltiples carreras de vehículos, Peacock y su equipo pudieron medir y rastrear la evolución de la columna de sedimentos creada por el vehículo de minería en aguas profundas.

“Vimos que el vehículo estaría conduciendo en agua clara, viendo los nódulos en el lecho marino”, dice Peacock. “Y luego, de repente, aparece esta nube de sedimento muy aguda cuando el vehículo ingresa a la columna”.

A partir de las vistas de selfies, el equipo observó un comportamiento que predijeron algunos de sus estudios de modelado anteriores : el vehículo levantó una gran cantidad de sedimento que era lo suficientemente denso como para que, incluso después de mezclarse un poco con el agua circundante, generara una columna que se comportó casi como un fluido separado, extendiéndose por su propio peso en lo que se conoce como corriente de turbidez.

“La corriente de turbidez se propaga por su propio peso durante algún tiempo, decenas de minutos, pero mientras lo hace, deposita sedimentos en el lecho marino y finalmente se queda sin vapor”, dice Peacock. "Después de eso, las corrientes oceánicas se vuelven más fuertes que la propagación natural, y los sedimentos pasan a ser transportados por las corrientes oceánicas".

En el momento en que el sedimento se deslizó más allá del amarre, los investigadores estiman que del 92 al 98 por ciento del sedimento volvió a asentarse o permaneció a 2 metros del fondo marino como una nube baja. Sin embargo, no hay garantía de que el sedimento siempre permanezca allí en lugar de ir a la deriva más arriba en la columna de agua. Estudios recientes y futuros realizados por el equipo de investigación están investigando esta cuestión, con el objetivo de consolidar la comprensión de las columnas de sedimentos de la minería en aguas profundas.

“Nuestro estudio aclara la realidad de cómo se ve la perturbación inicial de los sedimentos cuando se tiene cierto tipo de operación de extracción de nódulos”, dice Peacock. “La gran conclusión es que existen procesos complejos como las corrientes de turbidez que tienen lugar cuando se realiza este tipo de recolección. Por lo tanto, cualquier esfuerzo por modelar el impacto de una operación de minería en aguas profundas deberá capturar estos procesos”.

“Los penachos de sedimentos producidos por la minería en aguas profundas son una gran preocupación con respecto al impacto ambiental, ya que se extenderán sobre áreas potencialmente grandes más allá del sitio real de la minería y afectarán la vida en aguas profundas”, dice Henko de Stigter, geólogo marino en el Instituto Real de los Países Bajos para la Investigación del Mar, que no participó en la investigación. "El documento actual proporciona información esencial sobre el desarrollo inicial de estos penachos".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, ARPA-E, el Proyecto 11th Hour, la Iniciativa Benioff Ocean y Global Sea Mineral Resources. Los financiadores no tuvieron ningún papel en ningún aspecto del análisis de la investigación, afirma el equipo de investigación.

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