In alcune parti dell'oceano profondo, sparsi sul fondo del mare, giacciono rocce delle dimensioni di un baseball stratificate con minerali accumulati in milioni di anni. Una regione del Pacifico centrale, chiamata Clarion Clipperton Fracture Zone (CCFZ), si stima contenga vaste riserve di queste rocce, noti come "noduli polimetallici, " che sono ricchi di nichel e cobalto, minerali che vengono comunemente estratti a terra per la produzione di batterie agli ioni di litio nei veicoli elettrici, computer portatili, e telefoni cellulari.

Con l'aumento della domanda di queste batterie, gli sforzi stanno andando avanti per estrarre dall'oceano questi noduli ricchi di minerali. Tali schemi di estrazione in acque profonde propongono l'invio di veicoli delle dimensioni di un trattore per aspirare i noduli e inviarli in superficie, dove una nave li pulirebbe e scaricherà i sedimenti indesiderati nell'oceano. Ma gli impatti dell'estrazione mineraria in acque profonde, come l'effetto dei sedimenti scaricati sugli ecosistemi marini e il confronto di questi impatti con l'estrazione tradizionale a terra, sono attualmente sconosciuti.

Ora oceanografi al MIT, l'Istituto di oceanografia Scripps, e altrove hanno condotto per la prima volta un esperimento in mare per studiare il turbolento pennacchio di sedimenti che le navi minerarie potrebbero rilasciare nell'oceano. Sulla base delle loro osservazioni, hanno sviluppato un modello che fa previsioni realistiche di come un pennacchio di sedimenti generato dalle operazioni minerarie verrebbe trasportato attraverso l'oceano.

Il modello prevede la dimensione, concentrazione, ed evoluzione dei pennacchi di sedimenti in varie condizioni marine e minerarie. Queste previsioni, dicono i ricercatori, possono ora essere utilizzati da biologi e regolatori ambientali per valutare se e in che misura tali pennacchi avrebbero un impatto sulla vita marina circostante.

"Ci sono molte speculazioni sull'impatto ambientale [dell'estrazione mineraria in acque profonde], "dice Thomas Pavone, professore di ingegneria meccanica al MIT. "Il nostro studio è il primo del suo genere su questi pennacchi a mezz'acqua, e può essere un importante contributo alla discussione internazionale e allo sviluppo di regolamenti nei prossimi due anni."

Lo studio del team appare oggi in Comunicazioni Natura:Terra e Ambiente .

I coautori di Peacock al MIT includono l'autore principale Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon, Chinmay Kulkarni, Patrick Haley, Chris Mirabito, Rohit Supekar, Andrew Rzeznik, Eric Adams, Cindy Wang, e Pierre Lermusiaux, insieme ai collaboratori di Scripps, il Servizio Geologico degli Stati Uniti, e ricercatori in Belgio e Corea del Sud.

In mare aperto

Si prevede che le attuali proposte di estrazione in acque profonde generino due tipi di pennacchi di sedimenti nell'oceano:"pennacchi di raccolta" che i veicoli generano sul fondo del mare mentre guidano raccogliendo noduli 4, 500 metri sotto la superficie; ed eventualmente "pennacchi di mezz'acqua" che vengono scaricati attraverso tubi che scendono 1, 000 metri o più nella zona afotica dell'oceano, dove la luce del sole penetra raramente.

Nel loro nuovo studio, Peacock e i suoi colleghi si sono concentrati sul pennacchio a mezz'acqua e su come il sedimento si disperderebbe una volta scaricato da un tubo.

"La scienza della dinamica del pennacchio per questo scenario è ben fondata, e il nostro obiettivo era stabilire chiaramente il regime dinamico per tali pennacchi per informare adeguatamente le discussioni, "dice Pavone, che è il direttore dell'Environmental Dynamics Laboratory del MIT.

Per definire queste dinamiche, la squadra è andata in mare. Nel 2018, i ricercatori sono saliti a bordo della nave da ricerca Sally Ride e sono salpati a 50 chilometri al largo della costa della California meridionale. Hanno portato con sé attrezzature progettate per scaricare i sedimenti a 60 metri sotto la superficie dell'oceano.

"Utilizzando i principi scientifici fondamentali della fluidodinamica, abbiamo progettato il sistema in modo che riproducesse completamente un pennacchio su scala commerciale, senza dover scendere a 1, 000 metri o navigare diversi giorni fino al centro della CCFZ, "dice Pavone.

In una settimana il team ha condotto un totale di sei esperimenti sui pennacchi, utilizzando nuovi sistemi di sensori come un Phased Array Doppler Sonar (PADS) e un epsilometro sviluppati dagli scienziati di Scripps per monitorare dove viaggiavano i pennacchi e come si sono evoluti in forma e concentrazione. I dati raccolti hanno rivelato che il sedimento, quando inizialmente pompato da un tubo, era una nuvola altamente turbolenta di particelle sospese che si mescolava rapidamente con l'acqua dell'oceano circostante.

"Si ipotizzava che questo sedimento avrebbe formato grandi aggregati nel pennacchio che si sarebbero depositati relativamente rapidamente nell'oceano profondo, "Dice Peacock. "Ma abbiamo scoperto che lo scarico è così turbolento che rompe il sedimento nei suoi pezzi costituenti più fini, e da quel momento in poi si diluisce così rapidamente che il sedimento non ha la possibilità di aderire".

Diluizione

Il team aveva precedentemente sviluppato un modello per prevedere la dinamica di un pennacchio che sarebbe stato scaricato nell'oceano. Quando hanno inserito le condizioni iniziali dell'esperimento nel modello, ha prodotto lo stesso comportamento che il team ha osservato in mare, dimostrando che il modello potrebbe prevedere con precisione la dinamica del pennacchio in prossimità della scarica.

I ricercatori hanno utilizzato questi risultati per fornire l'input corretto per le simulazioni delle dinamiche oceaniche per vedere fino a che punto le correnti porterebbero il pennacchio inizialmente rilasciato.

"In un'operazione commerciale, la nave scarica sempre nuovi sedimenti. Ma allo stesso tempo la turbolenza di fondo dell'oceano mescola sempre le cose. Quindi raggiungi un equilibrio. C'è un processo di diluizione naturale che si verifica nell'oceano che determina la scala di questi pennacchi, " Dice Peacock. "La chiave per determinare l'estensione dei pennacchi è la forza della turbolenza oceanica, la quantità di sedimento che viene scaricata, e il livello di soglia ambientale al quale si verifica l'impatto."

Sulla base delle loro scoperte, i ricercatori hanno sviluppato formule per calcolare la scala di un pennacchio in funzione di una determinata soglia ambientale. Ad esempio, se i regolatori stabiliscono che una certa concentrazione di sedimenti potrebbe essere dannosa per la vita marina circostante, la formula può essere utilizzata per calcolare fino a che punto si estenderebbe un pennacchio al di sopra di tale concentrazione, e quale volume di acqua oceanica sarebbe interessato nel corso di un'operazione di estrazione di noduli di 20 anni.

"Al centro della questione ambientale che circonda l'estrazione in acque profonde c'è l'estensione dei pennacchi di sedimenti, " Dice Peacock. "È un problema multiscala, da sedimenti su scala micron, a flussi turbolenti, alle correnti oceaniche per migliaia di chilometri. È un grande puzzle, e siamo attrezzati in modo unico per lavorare su quel problema e fornire risposte fondate su scienza e dati".

Il team sta ora lavorando sui pennacchi dei collettori, essendo recentemente tornato da diverse settimane in mare per eseguire il primo monitoraggio ambientale di un veicolo collettore di noduli nelle profondità oceaniche in oltre 40 anni.

Questa ricerca è stata supportata in parte dalla MIT Environmental Solutions Initiative, il programma UC Ship Time, il Policy Lab del MIT, il Progetto 11th Hour della Fondazione Famiglia Schmidt, l'iniziativa Benioff Ocean, e Fundación Bancaria "la Caixa".

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.