En ciertas partes del océano profundo, esparcidos por el lecho marino, yacen rocas del tamaño de una pelota de béisbol con capas de minerales acumulados durante millones de años. Una región del Pacífico central, denominada Zona de fracturas Clarion Clipperton (CCFZ), se estima que contiene vastas reservas de estas rocas, conocidos como "nódulos polimetálicos, "que son ricos en níquel y cobalto, minerales que comúnmente se extraen en tierra para la producción de baterías de iones de litio en vehículos eléctricos, laptops, y teléfonos móviles.

A medida que aumenta la demanda de estas baterías, Los esfuerzos están avanzando para extraer el océano en busca de estos nódulos ricos en minerales. Tales esquemas de minería en aguas profundas proponen enviar vehículos del tamaño de un tractor para aspirar los nódulos y enviarlos a la superficie. donde un barco los limpiaría y descargaría cualquier sedimento no deseado al océano. Pero los impactos de la minería en aguas profundas, como el efecto de los sedimentos vertidos en los ecosistemas marinos y cómo se comparan estos impactos con la minería terrestre tradicional, se desconocen actualmente.

Ahora oceanógrafos en el MIT, la Institución Scripps de Oceanografía, y en otros lugares han llevado a cabo un experimento en el mar por primera vez para estudiar la columna de sedimentos turbulentos que los barcos mineros potencialmente liberarían de regreso al océano. Basado en sus observaciones, desarrollaron un modelo que hace predicciones realistas de cómo una columna de sedimentos generada por las operaciones mineras sería transportada a través del océano.

El modelo predice el tamaño, concentración, y evolución de columnas de sedimentos en diversas condiciones marinas y mineras. Estas predicciones, los investigadores dicen, ahora puede ser utilizado por biólogos y reguladores ambientales para medir si tales columnas impactarían la vida marina circundante y en qué medida.

"Hay mucha especulación sobre el impacto ambiental [de la minería de aguas profundas], "dice Thomas Peacock, profesor de ingeniería mecánica en el MIT. "Nuestro estudio es el primero de su tipo en estos penachos de media agua, y puede ser un importante contribuyente a la discusión internacional y al desarrollo de regulaciones durante los próximos dos años ".

El estudio del equipo aparece hoy en Comunicaciones de la 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, junto a colaboradores de Scripps, el Servicio Geológico de EE. UU., e investigadores en Bélgica y Corea del Sur.

Hacia el mar

Se espera que las propuestas actuales de minería en aguas profundas generen dos tipos de columnas de sedimentos en el océano:"plumas colectoras" que los vehículos generan en el lecho marino a medida que circulan recolectando nódulos 4, 500 metros por debajo de la superficie; y posiblemente "penachos de media agua" que se descargan a través de tuberías que descienden 1, 000 metros o más en la zona afótica del océano, donde la luz del sol raramente penetra.

En su nuevo estudio, Peacock y sus colegas se centraron en la columna de agua media y en cómo se dispersaría el sedimento una vez descargado de una tubería.

"La ciencia de la dinámica de la pluma para este escenario está bien fundada, y nuestro objetivo era establecer claramente el régimen dinámico para que tales columnas informaran adecuadamente las discusiones, "dice Peacock, quien es el director del Laboratorio de Dinámica Ambiental del MIT.

Para precisar estas dinámicas, el equipo se hizo a la mar. En 2018, los investigadores abordaron el barco de investigación Sally Ride y zarparon 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 principios científicos fundamentales de la dinámica de fluidos, diseñamos el sistema para que reprodujera completamente una pluma a escala comercial, sin tener que bajar a 1, 000 metros o navegar varios días hasta el centro de la CCFZ, "Dice Peacock.

Durante una semana, el equipo realizó un total de seis experimentos de plumas, utilizando sistemas de sensores novedosos como un Sonar Doppler Phased Array (PADS) y un epsilómetro desarrollado por científicos de Scripps para monitorear dónde viajaron las plumas y cómo evolucionaron en forma y concentración. Los datos recopilados revelaron que el sedimento, cuando se bombea inicialmente de una tubería, era una nube muy turbulenta de partículas en suspensión que se mezclaba 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, "Dice Peacock." Pero encontramos que la descarga es tan turbulenta que rompe el sedimento en sus partes más finas, y luego se diluye tan rápidamente que el sedimento no tiene la posibilidad de pegarse ".

Dilución

El equipo había desarrollado previamente un modelo para predecir la dinámica de una columna que se descargaría en el océano. Cuando introdujeron las condiciones iniciales del experimento en el modelo, produjo el mismo comportamiento que el equipo observó en el mar, demostrando que el modelo podría predecir con precisión la dinámica de la pluma en las proximidades de la descarga.

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 está descargando sedimentos nuevos. Pero al mismo tiempo, la turbulencia de fondo del océano siempre mezcla cosas. Entonces alcanzas un equilibrio. Hay un proceso de dilución natural que ocurre en el océano que establece la escala de estas plumas, "Dice Peacock." Lo que es clave para determinar la extensión de las plumas es la fuerza de la turbulencia del océano, la cantidad de sedimento que se descarga, y el nivel de umbral ambiental en el que se produce el impacto ".

Según sus hallazgos, los investigadores han desarrollado fórmulas para calcular la escala de una pluma en función de un umbral ambiental dado. Por ejemplo, si los reguladores determinan que una cierta concentración de sedimentos 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 en el transcurso de una operación de extracción de nódulos de 20 años.

"En el centro de la cuestión medioambiental que rodea a la minería en aguas profundas está la extensión de las columnas de sedimentos, "Dice Peacock." Es un problema de varias escalas, de sedimentos a escala micrométrica, a corrientes turbulentas, a las corrientes oceánicas a lo largo de miles de kilómetros. Es un gran rompecabezas y estamos equipados de manera única para trabajar en ese problema y brindar respuestas basadas en la ciencia y los datos ".

El equipo ahora está trabajando en plumas colectoras, Habiendo regresado recientemente de varias semanas en el mar para realizar el primer monitoreo ambiental de un vehículo recolector de nódulos en las profundidades del océano en más de 40 años.

Esta investigación fue apoyada en parte por la Iniciativa de Soluciones Ambientales del MIT, el programa UC Ship Time, el laboratorio de políticas del MIT, el Proyecto de la Undécima Hora de la Fundación de la Familia Schmidt, la Iniciativa Oceánica de Benioff, y Fundación Bancaria "la Caixa".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.