Sulla scrivania di Thomas Peacock c'è una roccia marrone dall'aspetto ordinario. All'incirca delle dimensioni di una patata, è stata al centro di decenni di dibattito. Noto come nodulo polimetallico, ha trascorso 10 milioni di anni seduto sul fondo del mare profondo, 15, 000 piedi sotto il livello del mare. Il nodulo contiene nichel, cobalto, rame, e manganese, quattro minerali essenziali per l'accumulo di energia.

"Mentre la società si muove verso la guida di più veicoli elettrici e l'utilizzo di energia rinnovabile, ci sarà un aumento della domanda di questi minerali, produrre le batterie necessarie per decarbonizzare l'economia, "dice Pavone, professore di ingegneria meccanica e direttore dell'Environmental Dynamics Lab (END Lab) del MIT. Fa parte di un team internazionale di ricercatori che ha cercato di comprendere meglio l'impatto ambientale della raccolta di noduli polimetallici, un processo noto come estrazione in acque profonde.

I minerali trovati nei noduli, in particolare cobalto e nichel, sono componenti chiave delle batterie agli ioni di litio. Attualmente, Le batterie agli ioni di litio offrono la migliore densità di energia di qualsiasi batteria disponibile in commercio. Questa elevata densità di energia li rende ideali per l'uso in qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari ai veicoli elettrici, che richiedono grandi quantità di energia in uno spazio compatto.

"Si prevede che questi due elementi vedranno un'enorme crescita della domanda dovuta allo stoccaggio di energia, "dice Richard Roth, direttore del Materials Systems Laboratory del MIT.

Mentre i ricercatori stanno esplorando tecnologie di batterie alternative come le batterie agli ioni di sodio e le batterie a flusso che utilizzano celle elettrochimiche, queste tecnologie sono lontane dalla commercializzazione.

"Poche persone si aspettano che nessuna di queste alternative agli ioni di litio sarà disponibile nel prossimo decennio, ", spiega Roth. "L'attesa di future tecnologie e chimiche delle batterie sconosciute potrebbe ritardare in modo significativo l'adozione diffusa dei veicoli elettrici".

Saranno necessarie anche grandi quantità di nichel speciale per costruire batterie su larga scala che saranno necessarie quando le società cercheranno di passare da una rete elettrica alimentata da combustibili fossili a una alimentata da risorse rinnovabili come l'energia solare, vento, onda, e termico.

"La raccolta dei noduli dai fondali marini viene considerata come un nuovo mezzo per ottenere questi materiali, ma prima di farlo è imperativo comprendere appieno l'impatto ambientale delle risorse minerarie dalle profondità oceaniche e confrontarlo con l'impatto ambientale delle risorse minerarie sulla terraferma, " spiega Pavone.

Dopo aver ricevuto un finanziamento iniziale dall'Environmental Solutions Initiative (ESI) del MIT, Peacock è stato in grado di applicare la sua esperienza in fluidodinamica per studiare come l'estrazione mineraria in acque profonde potrebbe influenzare gli ecosistemi circostanti.

Soddisfare la domanda di accumulo di energia

Attualmente, nichel e cobalto vengono estratti attraverso operazioni minerarie a terra. Gran parte di questa estrazione si verifica nella Repubblica Democratica del Congo, che produce il 60 per cento del cobalto mondiale. Queste mine terrestri spesso hanno un impatto sugli ambienti circostanti attraverso la distruzione di habitat, erosione, e contaminazione del suolo e dell'acqua. Ci sono anche preoccupazioni che l'estrazione a terra, soprattutto nei paesi politicamente instabili, potrebbe non essere in grado di fornire abbastanza di questi materiali con l'aumento della domanda di batterie.

Si stima che la fascia di oceano situata tra le Hawaii e la costa occidentale degli Stati Uniti, nota anche come Clarion Clipperton Fracture Zone, contenga sei volte più cobalto e tre volte più nichel di tutti i negozi terrestri conosciuti. così come vasti giacimenti di manganese e una notevole quantità di rame.

Mentre il fondale è abbondante di questi materiali, si sa poco degli effetti ambientali a breve e lungo termine dell'attività mineraria 15, 000 piedi sotto il livello del mare. Peacock e il suo collaboratore, il professor Matthew Alford della Scripps Institution of Oceanography e dell'Università della California a San Diego, stanno conducendo la ricerca per capire come i pennacchi di sedimenti generati dalla raccolta di noduli dal fondo del mare saranno trasportati dalle correnti d'acqua.

"La domanda chiave è se decidiamo di fare un pennacchio nel sito A, fino a che punto si diffonde prima di piovere sul fondo del mare?" spiega Alford. "La capacità di mappare la geografia dell'impatto dell'estrazione mineraria sul fondo del mare è un'incognita cruciale in questo momento".

La ricerca che Peacock e Alford stanno conducendo aiuterà a informare le parti interessate sui potenziali effetti ambientali dell'estrazione mineraria in acque profonde. Una questione urgente è che l'International Seabed Authority (ISA) sta attualmente negoziando bozze di regolamenti sullo sfruttamento per l'estrazione in acque profonde in aree al di fuori della giurisdizione nazionale. un'organizzazione indipendente istituita dalle Nazioni Unite che regola tutte le attività minerarie sui fondali marini. La ricerca di Peacock e Alford aiuterà a guidare lo sviluppo di standard ambientali e linee guida da emanare in base a tali regolamenti.

"Abbiamo un'opportunità unica per aiutare le autorità di regolamentazione e le altre parti interessate a valutare le bozze di regolamento utilizzando i nostri dati e modelli, prima dell'inizio delle operazioni e ci rammarichiamo per l'impatto della nostra attività, "dice Carlos Munoz Royo, un dottorato di ricerca studente dell'END Lab del MIT.

Tracciare i pennacchi nell'acqua

Nelle miniere d'altura, un veicolo da collezione verrebbe schierato da una nave. Il veicolo da collezione quindi percorre 15, 000 piedi fino al fondo del mare, dove aspira i quattro pollici superiori del fondale marino. Questo processo crea un pennacchio noto come pennacchio collettore.

"Mentre il collettore si muove sul fondo del mare, solleva sedimenti e crea una nuvola di sedimenti, o pennacchio, che è portato via e distribuito dalle correnti oceaniche, " spiega Pavone.

Il veicolo raccoglitore raccoglie i noduli, che vengono pompati attraverso un tubo fino alla nave. Sulla nave, i noduli utilizzabili vengono separati dai sedimenti indesiderati. Quel sedimento viene convogliato di nuovo nell'oceano, creando un secondo pennacchio, noto come pennacchio di scarico.

Peacock ha collaborato con Pierre Lermusiaux, professore di ingegneria meccanica e di scienza e ingegneria oceanica, e Glenn Flierl, professore di Terra, atmosferico, e scienze planetarie, per creare modelli matematici che predicono come questi due pennacchi viaggiano attraverso l'acqua.

Per testare questi modelli, Peacock ha deciso di tracciare i pennacchi reali creati dall'estrazione del fondo dell'Oceano Pacifico. Con il finanziamento del MIT ESI, ha intrapreso il primo studio sul campo di tali pennacchi. È stato raggiunto da Alford ed Eric Adams, ingegnere ricercatore senior al MIT, così come altri ricercatori e ingegneri del MIT, Scrippe, e il Servizio Geologico degli Stati Uniti.

Con i finanziamenti del programma UC Ship Funds, il team ha condotto esperimenti in consultazione con l'ISA durante una spedizione di una settimana nell'Oceano Pacifico a bordo della US Navy R/V Sally Ride nel marzo 2018. I ricercatori hanno mescolato i sedimenti con un colorante tracciante che sono stati in grado di tracciare utilizzando i sensori sulla nave sviluppati dal gruppo Multiscale Ocean Dynamics di Alford. Così facendo, hanno creato una mappa dei viaggi dei pennacchi.

Gli esperimenti sul campo hanno dimostrato che i modelli sviluppati da Peacock e Lermusiaux possono essere utilizzati per prevedere come i pennacchi viaggeranno nell'acqua e potrebbero aiutare a fornire un'immagine più chiara di come potrebbe essere influenzata la biologia circostante.

Impatto sugli organismi di acque profonde

La vita sul fondo dell'oceano si muove a un ritmo glaciale. I sedimenti si accumulano a una velocità di 1 millimetro ogni millennio. Con un ritmo di crescita così lento, è improbabile che le aree disturbate dall'estrazione mineraria in acque profonde si riprendano in tempi ragionevoli.

"La preoccupazione è che se c'è una comunità biologica specifica per l'area, potrebbe essere irrimediabilmente influenzato dall'estrazione mineraria, " spiega Pavone.

Secondo Cindy Van Dover, professore di oceanografia biologica alla Duke University, oltre agli organismi che vivono dentro o intorno ai noduli, altri organismi in altre parti della colonna d'acqua potrebbero essere colpiti mentre i pennacchi viaggiano.

"Potrebbero esserci intasamenti delle strutture di alimentazione del filtro di, Per esempio, organismi gelatinosi nella colonna d'acqua, e seppellimento di organismi sui sedimenti, " spiega. "Potrebbero esserci anche dei metalli che entrano nella colonna d'acqua, quindi ci sono preoccupazioni per la tossicologia".

La ricerca di Peacock sui pennacchi potrebbe aiutare i biologi come Van Dover a valutare i danni collaterali causati dalle operazioni minerarie in acque profonde negli ecosistemi circostanti.

Redazione di regolamenti per l'estrazione del mare

Attraverso i collegamenti con il Policy Lab del MIT, l'Istituto è una delle uniche due università di ricerca con status di osservatore presso l'ISA.

"La ricerca sul pennacchio è molto importante, e il MIT sta aiutando con la sperimentazione e lo sviluppo di modelli di pennacchio, che è vitale per informare l'attuale lavoro dell'Autorità internazionale dei fondali marini e della sua base di parti interessate, " spiega Chris Brown, un consulente presso l'ISA. Brown era uno delle dozzine di esperti che si sono riuniti nel campus del MIT lo scorso autunno in un seminario per discutere i rischi dell'estrazione mineraria in acque profonde.

Ad oggi, la ricerca sul campo condotta da Peacock e Alford è l'unico set di dati oceanici sui pennacchi a mezz'acqua che esiste per aiutare a guidare il processo decisionale. Il prossimo passo per capire come si muovono i pennacchi nell'acqua sarà quello di tracciare i pennacchi generati da un prototipo di veicolo collettore. Peacock e il suo team nell'END Lab si stanno preparando a partecipare a un importante studio sul campo utilizzando un prototipo di veicolo nel 2020.

Grazie ai recenti finanziamenti forniti dal Progetto 11th Hour, Peacock e Lermusiaux sperano di sviluppare modelli che forniscano previsioni sempre più accurate su come i pennacchi minerari in acque profonde viaggeranno attraverso l'oceano. Continueranno a interagire con i colleghi accademici, agenzie internazionali, ONG, e appaltatori per sviluppare un quadro più chiaro dell'impatto ambientale dell'estrazione mineraria in acque profonde.

"È importante avere input da tutte le parti interessate all'inizio della conversazione per aiutare a prendere decisioni informate, in modo che possiamo comprendere appieno l'impatto ambientale delle risorse minerarie dall'oceano e confrontarlo con l'impatto ambientale delle risorse minerarie sulla terra, "dice Pavone.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.