Sposób transportu i autonomiczne urządzenie do transportu ładunku w wodzie, zwłaszcza z głębin


ZESPÓŁ AUTORSKI

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica

Filipek Wiktor

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Ze względu na wyczerpywanie się złóż lądowych wielu minerałów (zwłaszcza pierwiastków krytycznych) coraz większym zainteresowaniem inwestorów i naukowców zaczęły cieszyć się złoża występujące na obszarach mórz i oceanów. Eksploatacja obszarów szelfów prowadzona jest z powodzeniem w wielu miejscach globu przy wykorzystaniu różnych metod. Jednak eksploatacja złóż zalegających na dużych głębokościach, ze względu na ekstremalne warunki środowiskowe, sprawia duże trudności zarówno naukowcom jak i inżynierom. Nie zniechęca to jednak do podjęcia prób ich eksploatacji, co potwierdza powstawanie coraz liczniejszych konsorcjów prowadzących badania nad różnymi metodami wydobycia i transportu na powierzchnię między innymi konkrecji polimetalicznych czy masywnych siarczków polimetalicznych. Najwięcej trudności w pracach metodami górnictwa morskiego odkrywkowego na dużych głębokościach sprawia transport z dna morskiego na powierzchnię. Dotychczas stosowane rozwiązania takie jak: wydobywanie metodą czerpakowo-linową CLB (continuareline bucket), wydobywanie metodą hydrauliczną HP (hydraulic pumping) czy wydobywanie metodą air-liftu ALP (air-lift pumping) mają zalety, ale i wady. Największą z nich jest duża energochłonność, a co za tym idzie wysokie koszty, stąd poszukiwanie tańszych metod. Innowacyjność koncepcji polega na zastosowania przemiany fazowej jako źródła energii (np. potrzebnej do opróżnienia zbiornika balastowego) do transportu w środowisku wodnym. Idea działania modułu transportującego polega na zmianie średniej gęstości całego modułu (wraz z ładunkiem), co nierozerwalnie związane jest z siłą wyporu działającą na zanurzone ciało. Charakteryzuje się również tym, że przedstawiona metoda można być dostosowana do transportu cyklicznego z dużych głębokości większych od 200 m.

ISTOTA WYNALAZKU

Istota wynalazku jest sposób transportu ładunku w wodzie polegający na zmianie średniej gęstości urządzenia transportującego, w stosunku do gęstości otaczającej wody i charakteryzuje się tym, że źródłem energii rozprężania jest reakcja chemiczna odpowiednio dobranego związku chemicznego z wodą, w obecności dodatkowego neutralnego związku chemicznego, którego zadaniem jest stabilizacja szybkość zachodzenia reakcji. Układ reakcji chemicznych jest tak dobrany aby proces przemiany fazowej był w odpowiednim sposób skoordynowany z głębokością zanurzania i wynurzania się modułu. Przy czym procesy chemiczne, które jak wiadomo przebiegają z szybkością uzależniona od trzech parametrów jakimi są stężenie substratów reakcji, ciśnienia oraz temperatura są sterowane wielkościami fizycznymi takimi jak ciśnienie, objętość substancji, temperaturą. A więc najistotniejsze jest odpowiednie zaprojektowanie modułu transportowego tak aby wielkości fizyczne kontrolowały zachodzące procesy chemiczne. Autonomiczne urządzenie do transportu ładunku w wodzie ma moduł nośny oraz elementy mocujące ładunek. Podstawowym elementem modułu nośnego jest komora robocza o największej pojemności i mającą w dnie otwory. Ściśle połączona z nią jest komora reakcji, w której umieszczane są substraty reakcji chemicznych, a w pokrywie komory reakcji zamontowana jest kapilara lub pęk kapilar łączących przestrzeń komory roboczej z przestrzenią komory reakcji. Powyżej komory roboczej usytuowana jest komora sterująca zawierająca wewnątrz pływak z trzpieniem i tworząca zawór sterujący. Poprzez górną ścianę komory roboczej, a dolną ścianę komory sterującej przechodzi rura sterująca. Moduł nośny ma zamontowane pionowo w komorze roboczej rury stabilizacyjne. Przeprowadzone eksperymenty potwierdzają możliwość zastosowania modułu transportowego do transportu z dna morskiego. Moduł transportowy w sposób autonomiczny wykonywał zaplanowane dla niego operacje: zalanie komory roboczej do planowanej objętości, zalanie zaworu sterującego i jego zamknięcie, osiągnięcie planowanej głębokości zanurzenia, i wynurzenie się z niej, opróżnienie komory sterującej oraz komory roboczej po osiągnięciu pełnego wynurzenia.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Dla Polski szczególne znaczenie przemysłowe ma pole Clarion-Clipperton. Odznacza się ono wyjątkowo wysokim średnim wskaźnikiem konkrecjoności powyżej 10 kg/m2. przy najwyższej koncentracji metali: 25-28 proc. dla manganu, 1,14-1,25 proc. dla niklu, ok. 1 proc. przy miedzi i 0,21 proc. przy kobalcie. Zasoby tegoż pola wg ostatnich badań oszacowano na 34 mld ton, w tym 7,5 mld ton manganu, 340 mln ton niklu, 265 mln ton miedzi i 78 mln ton kobaltu. Za przemysłowy obszar górniczy uznaje się zasoby umożliwiające wydobycie od 1,5 do 4,0 mln ton konkrecji rocznie. Działka Inter Ocean Metalu (z siedzibą w Szczecinie) o powierzchni 75 000 km2 – zwłaszcza rejon B2 - zapewnia te wartości w okresie 25-letniego planowanego wydobycia. Niestety te bogactwa zalegają na głębokości 4200 do 4500 m. Największym problemem w górnictwie morskim odkrywkowym jest transport z dużych głębokości na powierzchnię. Mimo wielu opracowań dotychczas stosowane rozwiązania oparte o metodę czerpakowo-linową, metodę hydrauliczną HP czy metodę air-liftu ALP dalekie są od ideału. Przede wszystkim są energochłonne a co za tym idzie generują wysokie koszty, stąd poszukiwanie metod mniej kosztochłonnych. Zastosowanie autonomicznego modułu do transportu z dna morskiego ma wiele zalet. Charakteryzuje się on przede wszystkim prostą konstrukcją (brak części elektronicznych – tylko mechaniczne) oraz wykorzystania zjawisk fizyczno-chemicznych do autoregulacji procesów zanurzania i wynurzania.