In 1872 voer de HMS Challenger de haven in Portsmouth uit en begon het schip aan een 1000 dagen lange expeditie over de wereldzeeën. De onderzoekers aan boord vergaarden gegevens over temperaturen, zeestromen en chemische variaties in het water, en stalen van de zeebodem op kilometers diepte.
In de modderige monsters zaten kleine, harde knollen, die vol bleken te zitten met metalen als mangaan, nikkel en koper.
Nu, bijna 150 jaar later, is de hele wereld op die metalen uit. Van overheidsinstanties in China en Japan tot bedrijven in Europa, allemaal staan ze klaar voor de race naar de zeebodem.
De belangstelling neemt toe nu we wereldwijd de groene overstap moeten maken, waarvoor we veel metalen nodig hebben.
Zo is er behoefte aan meer koper voor leidingen, zodat we de vervoerssector en chemische industrie elektrisch kunnen maken, en fossiele brandstoffen voor de energieproductie vaarwel kunnen zeggen.
Tegelijkertijd neemt de vraag naar zeldzame aarden – ook metalen – toe voor onder meer magneten voor de elektrische generatoren van windturbines en brandstofcellen die waterstof in stroom kunnen omzetten op een schone manier.
En kobalt is onmisbaar in lithiumionbatterijen, die een hoofdrol spelen in de groene revolutie.
Zeestofzuiger pikt metaalknollen op
De mijnrobot Patania II kamt de zeebodem uit op zogeheten mangaanknollen, die metalen voor groene technologie bevatten. De robot wordt in de Clarion Clipperton Zone in de Stille Oceaan getest.
Mijnschip stuurt de ‘stofzuiger’ aan
De Patania II wordt bestuurd via een kabel vanaf een mijnschip. De kabel laat ook de robot van 25 ton vieren naar de zeebodem op 4,5 km diepte, en hijst hem weer op als het schip gaat varen. Het bedrijf van de zeestofzuiger heeft een licentie om een gebied van 76.728 km2 te onderzoeken.
Metaalknollen groeien op haaientanden
Mangaanknollen zetten zich af op schildjes of haaientanden, waarbij metaaloxiden uit het water neerslaan. De knollen zijn 3-10 cm groot en groeien miljoenen jaren lang aan. De knollen in de Clarion Clipperton Zone hebben een waarde van circa 20.000 miljard euro.
Stofzuigerslangen pompen knollen op
Aan de voorkant heeft de machine vier ‘stofzuigers’. Deze bestaan elk uit twee slangen die water wegpompen via een buis, die de metaalhoudende knollen vergaart. Doordat de waterstroom net boven de zeebodem onderdruk creëert, zuigt de machine de mangaanknollen op
Knollen worden in een tank verzameld
De mangaanknollen worden uit het sediment van de zeebodem gefilterd, dat er achter aan de machine weer uitkomt. De knollen worden naar een tank achterin gepompt. Wanneer de tank vol is, worden de knollen in een stapel op de zeebodem geplaatst, zodat het mijnschip ze kan oppikken.
Mijnen voldoen niet meer aan de vraag en zijn nadelig voor milieu en klimaat – ze slaan enorme gaten in het landschap en ze stoten giftige stoffen uit.
Maar nu staat er technologie klaar om de mijnbouw naar zee te verplaatsen. Mijnbouwmaatschappijen en ingenieurs hebben enorme stofzuigers ontwikkeld: mijnrobots die al rijdend over de zeebodem de metaalhoudende knollen kunnen oppikken.
Andere machines gaan de korst en vulkanische bronnen breken, die ook vol metalen zitten. Het is de vraag of de zeemijnen aan de enorme verwachtingen kunnen voldoen zonder het zeemilieu aan te tasten.
Lukt dat, dan is de zeebodem het Klondike van de groene revolutie en zullen vervuilende mijnen op het land sluiten.
Zeebodem is een schatkamer
Willen we de groene revolutie echt op gang helpen, dan zal elektriciteit van windmolens en zonnecellen snel bij de gebruiker moeten zijn. Daarvoor zijn meer en grotere kabels in alle zeeën en op alle continenten nodig.
Die bevatten koper, dat nu in mijnen op het land wordt gewonnen. Zo wordt 40 procent van al het koper ter wereld geproduceerd in groeven in de Andes in Chili. Die mijnen laten enorme kraters na in het landschap.
Omdat er in het erts slechts 1 procent koper zit, moet het met giftige chemicaliën worden gewonnen.
En de giftige ertsresten zijn bijzonder slecht voor het milieu, of ze nu op het land bewaard worden, waar het gif naar het grondwater kan sijpelen, of op open zee worden geloosd.
En niet alleen koper staat de overstap naar ‘groen’ in de weg. Vandaag de dag is met name kobalt een probleem
25 ton weegt de ‘stofzuiger’ Patania II, die metaal vanaf de zeebodem kan oppikken.
Dit metaal, dat veel wordt gebruikt voor de accu’s van elektrische auto’s, wordt gewonnen in sterk verontreinigende mijnen in het kwetsbare regenwoud, met name in de Democratische Republiek Congo, waarin kinderen zwoegen voor een schamel loon.
Bovendien vindt de mijnbouw plaats in een conflictgebied, dus de aanvoer is verre van stabiel.
Intussen neemt de behoefte aan metalen voor accu’s van elektrische auto’s explosief toe. Uit een analyse van BloombergNEF blijkt dat de wereldwijde vraag naar zeven stoffen voor deze accu’s, zoals koper, kobalt, lithium en aluminium, bijna 1 miljoen ton per jaar bedraagt in 2020, maar oploopt tot 7 miljoen ton in 2030 – zeven keer zo veel in 10 jaar.
Daarom kijken mijnbouwbedrijven nu naar de zeebodem. Studies van de afgelopen decennia hebben herhaaldelijk aangetoond dat de zeebodem op 4 à 5 kilometer diepte een schatkamer is van mineralen met een hoog gehalte aan metalen.
De oceaanbodem bevat meer metaal dan alle continenten op aarde bij elkaar, blijkt uit onderzoek.
Drie soorten zeebodem zijn interessant. Een ervan is de top van onderwaterbergen, waar de korst rijk is aan metalen als platina voor de katalysatoren die uitlaatgassen van auto’s reinigen.
Mijnbouwrobots kunnen de korst op die bergen vergruizen en het grind naar een schip pompen. Ook interessant zijn vulkanische bronnen in breukzones, waar metaalhoudende zwavelverbindingen uit de bodem opwellen en schoorstenen vormen.
Rokende schoorstenen bij vulkanische bronnen bevatten koper en zilver. Ze worden gevormd door metaalhoudende sulfiden, die in vulkanische breukzones opwellen uit de zeebodem.
De wanden van die schoorstenen bevatten koper, lood, zink, goud en zilver. Machines met een paar meter brede draaikoppen van wolfraamcarbide kunnen die schoorstenen breken, waarna het grind naar een mijnschip wordt gepompt.
De methode is getest bij Papoea-Nieuw-Guinea en Okinawa (Japan).
Maar de zeebodem buiten de nationale zones – dus minstens 370 kilometer uit de kust – bezorgt de mijnbouwbedrijven pas echt goudkoorts. Grote delen van de zeebodem worden bedekt door ‘mangaanknollen’ ter grootte van tennisballen, die vrijwel alleen uit metalen bestaan.
Ongeveer een kwart van elke knol is mangaan, dat wordt gebruikt om staal en glas te maken. Ook bevatten de knollen hoge gehaltes nikkel, kobalt, koper en molybdeen.
Het grote voordeel ten opzichte van onderzeese bergtoppen en vulkanische bronnen is dat de knollen los op de zeebodem liggen en kunnen worden opgezogen zonder dat er materiaal hoeft te worden vergruisd.
In vergelijking met mijnen op het land bevatten de knollen zeven keer zo veel koper per kilo en de rest bestaat uit bruikbare metalen.
Daarom zullen zeemijnen niet net zo afhankelijk zijn van giftige extractiechemicaliën. De kleine metalen bolletjes bevatten meer kobalt dan alle bekende landreserves.
En ten slotte zijn de knollen een enorme hulpbron – experts schatten dat er biljoenen (12 nullen) klaar liggen om van de zeebodem te worden opgepikt.
Mangaanknollen zijn zo groot als een tennisbal en bevatten hoge concentraties nikkel, kobalt, koper en molybdeen.
De International Seabed Authority (ISA) van de Verenigde Naties, die de winning van mineralen op de zeebodem reguleert, heeft in totaal 29 exploratievergunningen afgegeven aan mijnbouwbedrijven, en 16 daarvan zijn verleend binnen de Clarion Clipperton Zone in de Stille Oceaan, waar de oceaanbodem bedekt is met mangaanknollen. Het gebied is met 76.728 vierkante kilometer zo groot als de Benelux.
En hier zullen zeemijnen de eerste grote test ondergaan: het Belgische bedrijf Global Sea Mineral Resources (GSR) bereidt er een voor van een ‘oceaanstofzuiger’, Patania II, in een gebied van 0,9 vierkante kilometer.
Belgische stofzuiger wordt getest
De Patania II is zo groot als een bus en weegt 25 ton. De mijnbouwmachine pikt mangaanknollen op met behulp van waterpompen die vlak boven de zeebodem onderdruk creëren, waardoor de knollen worden opgezogen.
Het sediment van de zeebodem wordt vervolgens weggefilterd en komt er aan de achterkant van de Patania II uit. Dan worden de knollen verzameld in een bak achter in de stofzuiger. Het mijnschip laat ten slotte een pijp zakken tot op de zeebodem, die ze opzuigt.
De Patania II wordt gevolgd door het Duitse onderzoeksschip Sonne, dat miniduikboten en meetapparatuur naar de zeebodem stuurt om de gevolgen voor milieu en dierenleven te observeren onder 4 kilometer water. Eerdere studies tonen aan dat de mijnbouw littekens op de zeebodem kan achterlaten.
In 1989 voerden Duitse wetenschappers een reeks experimenten uit in de Stille Oceaan, waarbij ze met een eg een stofzuiger simuleerden die mangaanknollen oogst.
Ze hebben de locaties diverse malen bezocht en de omgeploegde zeebodem zag er nog steeds uit als een woestenij.
Zeemijnen: groene of rampzalige techniek?
Mijnbouw op de zeebodem kan ons metalen als kobalt en koper leveren voor groene technologie, en is een alternatief voor vervuilende mijnen op het land. Maar verstoren we daarmee niet de zeebodem met zijn ongerepte ecosystemen?
Zeemijnen: vóór: Metaal maakt klimaatverbetering mogelijk
De zeebodem bevat metalen die nodig zijn voor een groenere wereld, bijvoorbeeld als de elektrische auto de benzineauto aflost. Een accu voor een elektrisch voertuig bevat naast lithium veel koper, aluminium, nikkel en kobalt. De vraag zal de komende 10 jaar exploderen. Onderstaande tabel geeft zeven belangrijke materialen voor accu’s weer. De vraag is in 2020 nog geen miljoen ton per jaar, maar zal in het jaar 2030 naar verwachting gestegen zijn tot meer dan 7 miljoen ton per jaar.
Zeemijnen: tegen: Machines kunnen zeeleven verwoesten
Als mijnmachines onderzeese bergen laten afbreken, de pijpen van vulkanische bronnen verpulveren of mangaanknollen opzuigen, wordt de zeebodem een woestenij en zullen de habitats van dieren worden vernietigd.
Al lijken ‘zeestofzuigers’ de mildste methode te zijn, omdat ze de zeebodem niet aantasten maar alleen mangaanknollen opzuigen, ze doen toch fijnkorrelig sediment – slib – opwervelen van de zeebodem. Dat komt door het gewicht van de machine, de beweging over de zeebodem en de pompen, die water in beweging brengen. Slib kan vissen en andere waterorganismen doden, dus een cruciale vraag is of wolken van sediment de bovenste kilometers van de waterkolom bereiken, waar de biodiversiteit het grootst is. Dit wil mijnbouwmaatschappij GSR gaan testen.
Wetenschappers hebben een verrassend rijke fauna gevonden in de donkere diepzee. Hier leven vissen, wormen, schaaldieren, zwammen, zeekomkommers, zeesterren en zee-egels. Hun leefgebieden zullen worden aangetast waar mijnbouw plaatsvindt, maar dat is niet de enige bedreiging.
Wanneer een mijnrobot mangaanknollen opzuigt, wervelt hij een wolk van fijnkorrelig sediment, slib genaamd, op, dat opstijgt in de waterkolom en het dierenleven hogerop kan beschadigen.
Het lot van de zeemijnen hangt dan ook af van de vraag of de mijnbouwrobots het milieu in zee kunnen ontzien.
Duik naar de zeebodem en zie de zeestofzuiger in actie.
Het Massachusetts Institute of Technology maakte deze animatie van een zeestofzuiger die mangaanknollen van de bodem zuigt.
Daarom heeft GSR aan de voorkant van de Patania II een sensor aangebracht, die ervoor zorgt dat de onderdruk van de waterpompen alleen het bovenste stuk zeebodem beïnvloedt en niet al te veel sediment doet opwervelen.
Modelberekeningen van GSR geven aan dat de slibwolk zich 3 tot 10 kilometer vanaf de zeestofzuiger zal verspreiden voordat de deeltjes weer naar de zeebodem zinken.
De test van de Patania II zal moeten laten zien of de mijnrobot de mangaanknollen kan oogsten in lijnen met tussenruimte, en of de zeestromingen zodanig kunnen worden benut dat het slib vooral in reeds geoogste gebieden neerslaat.
Hoe dan ook, de VN-organisatie ISA zal waarschijnlijk 30 procent van de Clarion Clipperton Zone vrijwaren van mijnbouw om het milieu te beschermen.
De vraag is of de wereld wel zonder de schatkist aan metalen kan, willen we het klimaat op aarde redden.
In een rapport uit mei 2020 berekende de Wereldbank dat de productie van stoffen als lithium, kobalt en grafiet in 2050 met maar liefst 500 procent moet zijn toegenomen om de temperatuurstijging onder de 2 °C uit het Akkoord van Parijs te houden.
En dat gaat nauwelijks met mijnen op het land. Daarom zullen de knolletjes die 150 jaar geleden werden gevonden mogelijk de metalen leveren voor de groene revolutie.
Zoals onderzoekers van onder meer Oxford University schreven in 2018 in een artikel is het niet langer de vraag óf de zeemijnen er komen, maar wanneer.