En partes del océano profundo, esparcidas por el lecho marino, hay rocas del tamaño de una pelota de béisbol cubiertas de minerales que se han acumulado durante millones de años. Se estima que una región del Pacífico central, llamada Zona de Fractura Clarion Clipperton (CCFZ), contiene vastas reservas de estas rocas, conocidas como 'nódulos polimetálicos', ricas en minerales de níquel y cobalto, comúnmente explotadas en la tierra para la producción de baterías de iones de litio en vehículos eléctricos, computadoras portátiles y teléfonos móviles.
A medida que aumenta la demanda de estas baterías, los esfuerzos continúan explorando el océano en busca de estos nódulos ricos en minerales. Tales programas de minería en aguas profundas ofrecen enviar vehículos del tamaño de un tractor para absorber los nódulos y enviarlos a la superficie, donde un barco los limpiaría y arrojaría cualquier sedimento no deseado en el océano. Pero los impactos de la minería en aguas profundas, como el efecto de los sedimentos descargados en los ecosistemas marinos y cómo se comparan estos impactos con la minería terrestre tradicional, se desconocen actualmente.
Hoy, oceanógrafos del MIT, el Instituto Scripps de Oceanografía y otros lugares realizaron un experimento en el mar por primera vez para estudiar la columna de sedimentos turbulentos que los barcos mineros podrían liberar en el océano. Basándose en sus observaciones, desarrollaron un modelo que hace predicciones realistas de cómo una columna de sedimento generada por las operaciones mineras sería transportada al océano.
El modelo predice el tamaño, la concentración y la evolución de las columnas de sedimentos en diversas condiciones marinas y mineras. Estas predicciones, dijeron los investigadores, ahora pueden ser utilizadas por biólogos y reguladores ambientales para evaluar si estos penachos están afectando la vida marina circundante y en qué medida.
"Hay mucha especulación sobre el impacto ambiental (de la minería en aguas profundas)", dice Thomas Peacock, profesor de ingeniería mecánica en el MIT. "Nuestro estudio es el primero de su tipo sobre estas plumas pelágicas y puede ser un importante contribuyente a las discusiones internacionales y al desarrollo regulatorio durante los próximos dos años".
El estudio del equipo aparece hoy en Comunicaciones Naturaleza: Tierra y Medio Ambiente.
Los coautores de Peacock en el MIT incluyen al autor principal Carlos Muñoz-Royo, Raphael Ouillon, Chinmay Kulkarni, Patrick Haley, Chris Mirabito, Rohit Supekar, Andrew Rzeznik, Eric Adams, Cindy Wang y Pierre Lermusiaux, así como empleados de Scripps en Estados Unidos. Estados. Geological Survey e investigadores de Bélgica y Corea del Sur.
Al mar
Se espera que las propuestas actuales para la minería en aguas profundas generen dos tipos de columnas de sedimentos en el océano: las 'columnas colectoras' que los vehículos generan en el lecho marino cuando pasan por alto los nódulos colectores a 4 500 metros por debajo de la superficie; y quizás "penachos de agua medianos" que se descargan a través de tuberías que descienden 1000 metros o más hacia la zona afótica del océano, donde la luz del sol raramente penetra.
En su nuevo estudio, Peacock y sus colegas se centraron en el penacho mediano y cómo se dispersarían los sedimentos cuando se descargaran de una tubería.
"La ciencia de la dinámica de las plumas para este escenario está bien fundada y nuestro objetivo era establecer claramente el régimen dinámico de estas plumas para informar adecuadamente las discusiones", dijo Peacock, director del Laboratorio de dinámica ambiental del MIT.
Para identificar estas dinámicas, el equipo zarpó. En 2018, los investigadores abordaron el barco de investigación. Paseo de Sally y zarpó a 50 kilómetros de la costa del sur de California. Trajeron consigo equipos diseñados para descargar sedimentos a 60 metros por debajo de la superficie del océano.
"Utilizando los principios científicos fundamentales de la dinámica de fluidos, diseñamos el sistema para reproducir completamente una pluma a escala comercial, sin tener que descender a 1.000 metros o navegar varios días en medio del mar. CCFZ", explica Peacock.
Durante una semana, el equipo realizó un total de seis experimentos de plumas, utilizando nuevos sistemas de sensores como un sonar Doppler de matriz en fase (PADS) y un epsímetro desarrollado por científicos de Scripps para monitorear dónde se movían las plumas y cómo evolucionaron en forma y enfoque. Los datos recopilados revelaron que el sedimento, cuando se bombeó inicialmente de una tubería, era una nube muy turbulenta de partículas suspendidas que se mezclaron rápidamente con el agua del océano circundante.
"Se especuló que este sedimento formaría grandes agregados en la columna que se asentarían relativamente rápido en las profundidades del océano", dijo Peacock. "Pero hemos descubierto que la descarga es tan turbulenta que rompe el sedimento en sus pedazos más finos y, posteriormente, se diluye tan rápidamente que el sedimento no tiene posibilidad de pegarse".
Dilución
El equipo había desarrollado previamente un modelo para predecir la dinámica de una columna que se liberaría en el océano. Cuando introdujeron las condiciones iniciales del experimento en el modelo, se produjo el mismo comportamiento que el equipo observado en el mar, lo que demuestra que el modelo podía predecir con precisión la dinámica de la pluma cerca de la liberación.
Los investigadores utilizaron estos resultados para proporcionar la información correcta para las simulaciones de la dinámica del océano para ver qué tan lejos llevarían las corrientes la columna liberada inicialmente.
“En una operación comercial, el barco siempre libera sedimentos nuevos. Pero al mismo tiempo, la turbulencia del fondo del océano siempre mezcla las cosas. Entonces logras un equilibrio. Hay un proceso de dilución natural que ocurre en el océano y que define la escala de estas plumas ”, explica Peacock. "Lo que es fundamental para determinar la extensión de las plumas es la fuerza de la turbulencia del océano, la cantidad de sedimento liberado y el umbral ambiental en el que hay un impacto".
Con base en sus hallazgos, los investigadores desarrollaron fórmulas para calcular la escala de una pluma en función de un umbral ambiental determinado. Por ejemplo, si los reguladores determinan que una cierta concentración de sedimento podría ser perjudicial para la vida marina circundante, la fórmula se puede usar para calcular qué tan lejos se extendería una pluma por encima de esa concentración y qué volumen de agua del océano se vería afectado durante un período de 20 años operación minera de nódulos de un año de antigüedad.
"En el corazón del problema ambiental que rodea a la minería en aguas profundas está la extensión de las columnas de sedimentos", explica Peacock. “Es un problema en muchas escalas, desde sedimentos a escala micrométrica hasta flujos turbulentos y corrientes oceánicas a lo largo de miles de kilómetros. Es un gran rompecabezas, y estamos equipados de manera única para trabajar en este problema y brindar respuestas científicas y basadas en datos.
El equipo ahora está trabajando en las plumas colectoras, habiendo regresado recientemente de varias semanas en el mar para realizar el primer monitoreo ambiental de un vehículo recolector de nódulos del océano profundo en más de 40 años.
Esta investigación fue financiada en parte por la MIT Environmental Solutions Initiative, el UC Ship Time Program, el MIT Policy Lab, el Proyecto 11th Hour de la Schmidt Family Foundation, la Benioff Ocean Initiative y la Fundación Bancaria “la Caixa”.