Геология суши обладает тем неустранимым недостатком, что полезные ископаемые распределены крайне неравномерно, чаще всего рассеяны в бедных рудах, и залегают на большой глубине. Для добычи необходимых полезных ископаемых приходится проделывать колоссальную работу по бурению скважин, строительству шахт, закладке карьеров и разрезов. Добыча некоторых полезных ископаемых требует вскрышных работ объемом в миллионы кубометров грунта. После добычи полезных ископаемых остаются территории, которые требуют дорогостоящей рекультивации, чтобы их можно было снова пустить в хозяйственный оборот.
Добыча веществ в океане имеет ряд бесспорных преимуществ перед добычей на суше. Во-первых, любая страна, имеющая выход к океану, обладает доступом ко всем запасам Мирового океана, и добыча лимитруется только мощностью извлечения элементов из морской воды. Во-вторых, океан не нуждается в рекультивации и гораздо более устойчив к воздействию в ходе извлечения веществ из морской воды или со дна. В-третьих, запасы веществ в Мировом океане, судя по некоторым сведениям, постоянно пополняются в результате геологической и гидротермальной активности.
Сейчас разговоры о необходимости добычи полезных ископаемых в океане, вращается, в основном, вокруг добычи нефти и газа на шельфе, а также перспектив добычи газогидратов. Как особая фантастика, обсуждаются перспективы добычи железо-марганцевых конкреций.
Добыча полезных ископаемых, в первую очередь, нефти на океанском шельфе давно уже превратилась в мощную отрасль промышленности. Из 5,2 млрд. тонн нефти, добытых в мире в 2004 году, по меньшей мере 34% приходилось на шельф, или около 1,7 млрд. тонн. Успех этого направления связан с тем, что геологическое строение шельфа принципиально сходно со строением побережья, и тем, что в распоряжении геологов и нефтедобывающих компаний оказались суда и платформы с буровыми установками, способными выполнять буровые работы в открытом море.
Но эти технологии имеют свои ограничения. За краем шельфа ни одно буровое судно, ни платформы работать уже не могут. Наиболее совершенные платформы, вроде Stena Don, введенной в эксплуатацию в 2002 году, способны проводить бурение при морских глубинах до 500 метров, на глубину до 4500 метров. Причем, по мере увеличения морской глубины бурения, стоимость платформы растет в геометической прогрессии. Платформа, рассчитаная для бурения на морской глубине 100 метров стоит столько же, сколько танкер грузоподъемностью 200 тысяч тонн.
Поэтому, несмотря на высокое техническое совершенство и отработку множества ценных технологий, буровые платформы не смогут бросить вызов океанским глубинам. Они не годятся даже для разработки месторождений метан-гидратов. Только самые крупные и совершенные платформы могут дотянуться до зоны стабильности газогидратов, которая начинается на глубине 450 метров и уходит вниз.
Но даже в области разработки шельфовых месторождений полезных ископаемых дело не двинулось дальше добычи нефти и газа. Между тем, шельфовые месторождения содержат приличные запасы других углеводородов, в частности, угля, приличные запасы металлов и минералов. Судя по геологическому строению рудных месторождений в Арктике, можно сказать, что по где-то половина общих запасов руды циркумарктического платиноидного пояса находится как раз на шельфе. Сейчас нет даже идей, насчет того, как добраться до этих сокровищ.
Если попытаться рассмотреть абрис технической идеи, которая откроет доступ к рудным месторождениям на шельфе, то можно сказать, что это будет некий гибрид подводной лодки, проходческого комбайна и врубовой машины. Эта машина должна самостоятельно дойти до места разработки, лечь на дно, пройти шахту до рудного тела и прокладывать штреки. Конечно, соединить подводную лодку с врубовой машиной - это нетривиальная задача для сильных умов.
Впрочем, возможно пойти по другому пути, который не предусматривает подобных изысков. Для этого нужно продвинуть технологии проходки тоннелей до такого уровня, чтобы проходческим комбайнам было по силам прокладывать тоннели протяженностью в десятки и сотни километров. Тогда можно тянуться к шельфовым месторождениям с береговых шахт, прокладывая тоннель к рудному телу на шельфе.
Теперь газогидраты. Газовые гидраты - это скопления газа, наиболее часто метана, в связанном с водой состоянии. Кратко, молекулы метана удерживаются в клетке молекулами воды. Один кубометр газогидрата содержит в себе 164 кубометра метана и 0,87 кубометров воды.
В настоящее время исследовано 220 скоплений метан-гидратов, а США оценили свои запасы метан-гидрата на суше и на шельфе в 6000 трлн. кубометров. Это колоссальные запасы, если принимать во внимание, что территориальные воды США составляют только небольшую часть Мирового океана. В приарктической зоне метан-гидраты залегают и на суше, в частности, пласт газогидратов есть на Мессояхском газовом месторождении.
Добыча метан-гидратов не ведется как раз по чисто технологическим проблемам. Во-первых, только небольшая часть судов может работать на глубине, на которой залегают скопления метан-гидратов. Во-вторых, не решена проблема взрывообразного высвобождения газа при нарушении равновесия температуры и давления.
Сейчас предлагается добывать метан-гидраты с помощью двойной трубы, от платформы с поверхности до дна. По внутренней трубе подается нагретая морская вода, а по внешней поднимается вода, смешанная с пузырьками метана. На платформе производится сепарация воды и газа. Трудности этого проекта заключаются в том, что на конце трубы, которая находится на дне, очень трудно точно контролировать температуру и давление, и потому есть риск взрыва метан-гидрата. На суше эту проблему давно бы решили путем подбора оборудования, которое точно контролирует температуру и давление газа в устье скважины, а при необходимости, могло бы охлаждать или нагревать его. Но решение этой проблемы в добые газогидратов упрается в разработку комплекса, который мог бы находиться на дне и контролировать параметры газа, выходящего из скважины.
Разработка такого подводного комплекса коренным образом изменит ситуацию в добыче газогидратов. Если сделать его полностью автоматическим, то можно будет приступить к разработке метан-гидратных скоплений практически на любой глубине.
Железо-марганцевые конкреции с самого момента открытия привлекают к себе внимание. Общие запасы марганца в этих конкрециях оцениваются в 6 млрд. тонн, что может кардинальным образом решить проблему легирующих добавок. В конкрециях также содержатся и другие металлы в приличных количествах: 24% марганца, 14% железа, 1% никеля, 0,5% меди, всего около 40 элементов.
Конкреции встречаются на глубине от 60 до 7000 метров, но наиболее крупные скопления встречаются на глубинах 4000-7000 метров. По некоторым оценкам, конкреции покрывают 10% площади дна Мирового океана. Особенно много конкреций в Тихом океане, где ими полностью покрыто 20% дна и скопления встречаются на 60% площади. Общие запасы оцениваются в 300-350 млрд. тонн. Это оценка только тех конкреций, которые видны на поверхности, без учета конкреций, погребенных в осадках. Годовое пополнение запасов оценивается в 6 млн. тонн.
В настоящее время уже разработаны технологии добычи конкреций с мелководных участков, с помощью различных драг, черпальных устройств, скреперов, землесосных снарядов и так далее.
Но для промышленной разработки скоплений железо-марганцевых конкреций требуется подводный комплекс. Его можно представить в виде огромного подводного "дирижабля", в котором роль баллона выполняет поплавок с бензином, под которым закреплен подводный аппарат, вооруженный черпальным устройством или земснарядом. Схема не новая, по точно такой же схеме был построен батискаф "Триест", совершивший погружение в Марианскую впадину, и доказавший применимость подобных аппаратов. Только в отличие от батискафа, который не мог двигаться, подобный аппарат будет оснащен системами маневрирования, разработанными для глубоководных аппаратов. Эти системы будут позволять аппарату парить над дном, обходя район скоплений железо-марганцевых скоплений. По мере заполнения трюма, аппарат будет всплывать для выгрузки собранных конкреций.
Наконец, переработка морской воды и извлечение элементов из нее. Долгое время морская соль рассматривалась как досадная помеха, делающее воду непригодной к питью. Издавна инженеры пытались решить проблему опреснения воды, разрабатывая наиболее дешевый способ. По мере накопления опыта и разработки разных методов опреснения, выяснилось, что наиболее применимый способ - дистилляция. Этот метод не требует специфических условий и дает хорошее качество опреснения. 95% опресненной воды получается путем дистилляции, и разработаны модели промышленных и судовых опреснителей.
Но ведь на проблему можно посмотреть с другой стороны. Морскую соль можно рассматривать не как досадную помеху, а как ценное химическое сырье. При средней солености 35 промилле, из тонны опресненной морской воды можно получить 35 кг соли, с содержанием целого списка элементов.
Извлечение соли из морской воды можно комбинировать с производством электроэнергии на тепловых станциях, которые требуют пресной воды, используемой в качестве рабочего тела. Отработанный пар будет нагревать морскую воду, пар далее направляется в пароперегреватель, а затем, пропускается снова через опреснитель, и конденсируется в качестве пресной воды. Пресная вода очищается до нормативов питьевой воды. Концентрированный рассол дальше используется как сырье для гидрометаллургии.
Существует и другой способ получения веществ из морской воды - ионный обмен, лежащий в основе гидрометаллургии. Он был опробован еще в 1959 году советским научно-исследовательским судном "Михаил Ломоносов". В судне были смонтированы колонны с ионно-обменной смолой, соединенные с водозаборным кингстоном, через которую было пропущено 60 тыс. литров морской воды. Во время эксперимента, на 1 кг ионно-обменной смолы пришлось 0,15 гр урана, 0,125 гр серебра.
Преимущество этого способа заключается в том, что он использует давно разработанные и опробованные технологии, и ионно-обменные колонны могут быть установлены практически на всех судах, с минимальными доработками.
В перспективе можно собирать ионно-обменные колонны в пакеты и устанавливать в районах сильных морских течений. Этот метод добычи элементов из морской воды не требует никаких дополнительных энергетических затрат. Подобную технологию можно разработать и внедрить уже сегодня.