Au sommet du bureau de Thomas Peacock se trouve un rocher brun d'apparence ordinaire. Environ la taille d'une pomme de terre, il a été au centre de décennies de débat. Connu sous le nom de nodule polymétallique, il a passé 10 millions d'années assis sur les grands fonds marins, 15, 000 pieds sous le niveau de la mer. Le nodule contient du nickel, cobalt, le cuivre, et le manganèse, quatre minéraux essentiels au stockage de l'énergie.

« Alors que la société s'oriente vers la conduite de plus de véhicules électriques et l'utilisation d'énergies renouvelables, il y aura une demande accrue pour ces minéraux, fabriquer les batteries nécessaires à la décarbonisation de l'économie, " dit Paon, professeur de génie mécanique et directeur de l'Environmental Dynamics Lab (END Lab) du MIT. Il fait partie d'une équipe internationale de chercheurs qui essaie de mieux comprendre l'impact environnemental de la collecte de nodules polymétalliques, un processus connu sous le nom d'exploitation minière en haute mer.

Les minéraux trouvés dans les nodules, notamment le cobalt et le nickel, sont des composants clés des batteries lithium-ion. Actuellement, Les batteries lithium-ion offrent la meilleure densité énergétique de toutes les batteries disponibles dans le commerce. Cette densité énergétique élevée les rend idéales pour une utilisation dans tout, des téléphones portables aux véhicules électriques, qui nécessitent de grandes quantités d'énergie dans un espace compact.

"Ces deux éléments devraient voir une croissance énorme de la demande en raison du stockage d'énergie, " dit Richard Roth, directeur du laboratoire des systèmes de matériaux du MIT.

Alors que les chercheurs explorent des technologies de batteries alternatives telles que les batteries sodium-ion et les batteries à flux qui utilisent des cellules électrochimiques, ces technologies sont loin d'être commercialisées.

"Peu de gens s'attendent à ce que l'une de ces alternatives lithium-ion soit disponible au cours de la prochaine décennie, " explique Roth. " L'attente de futures chimies et technologies de batteries inconnues pourrait retarder considérablement l'adoption généralisée des véhicules électriques. "

De grandes quantités de nickel spécial seront également nécessaires pour construire des batteries à plus grande échelle qui seront nécessaires alors que les sociétés cherchent à passer d'un réseau électrique alimenté par des combustibles fossiles à un réseau alimenté par des ressources renouvelables comme l'énergie solaire, vent, vague, et thermique.

« La collecte des nodules des fonds marins est envisagée comme un nouveau moyen d'obtenir ces matériaux, mais avant de le faire, il est impératif de bien comprendre l'impact environnemental des ressources minières des grands fonds et de le comparer à l'impact environnemental des ressources minières sur terre, " explique Paon.

Après avoir reçu un financement de démarrage de l'Environmental Solutions Initiative (ESI) du MIT, Peacock a pu appliquer son expertise en dynamique des fluides pour étudier comment l'exploitation minière en haute mer pouvait affecter les écosystèmes environnants.

Répondre à la demande de stockage d'énergie

Actuellement, le nickel et le cobalt sont extraits par des opérations minières terrestres. Une grande partie de cette exploitation minière se produit en République démocratique du Congo, qui produit 60 pour cent du cobalt mondial. Ces mines terrestres impactent souvent les milieux environnants par la destruction d'habitats, érosion, et la contamination du sol et de l'eau. On craint également que l'exploitation minière terrestre, surtout dans les pays politiquement instables, pourrait ne pas être en mesure de fournir suffisamment de ces matériaux à mesure que la demande de batteries augmente.

On estime que la bande d'océan située entre Hawaï et la côte ouest des États-Unis - également connue sous le nom de zone de fracture Clarion Clipperton - possède six fois plus de cobalt et trois fois plus de nickel que tous les magasins terrestres connus, ainsi que de vastes gisements de manganèse et une quantité substantielle de cuivre.

Alors que les fonds marins regorgent de ces matériaux, on sait peu de choses sur les effets environnementaux à court et à long terme de l'exploitation minière 15, 000 pieds sous le niveau de la mer. Peacock et son collaborateur, le professeur Matthew Alford de la Scripps Institution of Oceanography et de l'Université de Californie à San Diego, mènent la quête pour comprendre comment les panaches de sédiments générés par la collecte de nodules des fonds marins seront transportés par les courants d'eau.

« La question clé est, si on décide de faire un panache au site A, jusqu'où se propage-t-il avant de finir par pleuvoir sur le fond marin ?" explique Alford. "Cette capacité à cartographier la géographie de l'impact de l'exploitation minière sur le fond marin est une inconnue cruciale en ce moment."

Les recherches menées par Peacock et Alford aideront à informer les parties prenantes sur les effets environnementaux potentiels de l'exploitation minière en eaux profondes. Une question urgente est qu'un projet de règlement d'exploitation pour l'exploitation minière en eau profonde dans les zones situées au-delà de la juridiction nationale est actuellement en cours de négociation par l'Autorité internationale des fonds marins (ISA), une organisation indépendante établie par les Nations Unies qui réglemente toutes les activités minières sur le fond marin. Les recherches de Peacock et Alford aideront à orienter l'élaboration de normes et de lignes directrices environnementales à émettre en vertu de ces règlements.

« Nous avons une opportunité unique d'aider les régulateurs et autres parties concernées à évaluer les projets de réglementation en utilisant nos données et notre modélisation, avant le démarrage des opérations et nous regrettons l'impact de notre activité, " dit Carlos Munoz Royo, un doctorat étudiant au END Lab du MIT.

Suivi des panaches dans l'eau

Dans l'exploitation minière sous-marine, un véhicule de collection serait déployé à partir d'un navire. Le véhicule collecteur parcourt alors 15, 000 pieds jusqu'au fond marin, où il aspire les quatre premiers pouces du fond marin. Ce processus crée un panache appelé panache collecteur.

« Alors que le collecteur se déplace sur le fond marin, il remue les sédiments et crée un nuage de sédiments, ou panache, qui est emporté et distribué par les courants océaniques, " explique Paon.

Le véhicule collecteur ramasse les nodules, qui sont pompés par un tuyau vers le navire. Sur le bateau, les nodules utilisables sont séparés des sédiments indésirables. Ce sédiment est renvoyé dans l'océan, créer un deuxième panache, connu sous le nom de panache de décharge.

Peacock a collaboré avec Pierre Lermusiaux, professeur de génie mécanique et de sciences et génie océaniques, et Glenn Flierl, professeur de Terre, atmosphérique, et sciences planétaires, pour créer des modèles mathématiques qui prédisent comment ces deux panaches se déplacent dans l'eau.

Pour tester ces modèles, Peacock a entrepris de suivre les panaches réels créés par l'exploitation minière du fond de l'océan Pacifique. Avec le financement du MIT ESI, il s'est lancé dans la toute première étude sur le terrain de ces panaches. Il a été rejoint par Alford et Eric Adams, ingénieur de recherche senior au MIT, ainsi que d'autres chercheurs et ingénieurs du MIT, Scripps, et la Commission géologique des États-Unis.

Grâce au financement du programme UC Ship Funds, l'équipe a mené des expériences en consultation avec l'ISA lors d'une expédition d'une semaine dans l'océan Pacifique à bord du R/V de la marine américaine Sally Ride en mars 2018. Les chercheurs ont mélangé des sédiments avec un colorant traceur qu'ils ont pu suivre à l'aide de capteurs sur le navire développés par le groupe Multiscale Ocean Dynamics d'Alford. Ce faisant, ils ont créé une carte des voyages des panaches.

Les expériences sur le terrain ont démontré que les modèles développés par Peacock et Lermusiaux peuvent être utilisés pour prédire comment les panaches se déplaceront dans l'eau et pourraient aider à donner une image plus claire de la façon dont la biologie environnante pourrait être affectée.

Impact sur les organismes des grands fonds

La vie au fond de l'océan se déplace à un rythme glaciaire. Les sédiments s'accumulent à raison de 1 millimètre tous les millénaires. Avec une croissance si lente, il est peu probable que les zones perturbées par l'exploitation minière en eaux profondes se rétablissent dans un délai raisonnable.

"Le souci est que s'il y a une communauté biologique spécifique à la zone, il pourrait être irrémédiablement impacté par l'exploitation minière, " explique Paon.

Selon Cindy Van Dover, professeur d'océanographie biologique à l'Université Duke, en plus des organismes qui vivent dans ou autour des nodules, d'autres organismes ailleurs dans la colonne d'eau pourraient être affectés par le déplacement des panaches.

"Il pourrait y avoir un colmatage des structures d'alimentation des filtres, par exemple, organismes gélatineux dans la colonne d'eau, et l'enfouissement des organismes sur le sédiment, " explique-t-elle. " Il pourrait aussi y avoir des métaux qui entrent dans la colonne d'eau, il y a donc des inquiétudes au sujet de la toxicologie. »

Les recherches de Peacock sur les panaches pourraient aider des biologistes comme Van Dover à évaluer les dommages collatéraux causés par les opérations minières en eaux profondes dans les écosystèmes environnants.

Rédaction des règlements pour l'exploitation minière de la mer

Grâce à des connexions avec le Policy Lab du MIT, l'Institut est l'une des deux seules universités de recherche ayant le statut d'observateur auprès de l'ISA.

"La recherche sur le panache est très importante, et le MIT aide à l'expérimentation et au développement de modèles de panache, qui est essentiel pour éclairer les travaux actuels de l'Autorité internationale des fonds marins et de sa base de parties prenantes, " explique Chris Brown, un consultant à l'ISA. Brown était l'un des dizaines d'experts qui se sont réunis sur le campus du MIT l'automne dernier lors d'un atelier sur les risques de l'exploitation minière en haute mer.

À ce jour, la recherche sur le terrain menée par Peacock et Alford est le seul ensemble de données océaniques sur les panaches pélagiques qui existe pour aider à guider la prise de décision. La prochaine étape pour comprendre comment les panaches se déplacent dans l'eau sera de suivre les panaches générés par un prototype de véhicule collecteur. Peacock et son équipe du END Lab se préparent à participer à une grande étude sur le terrain à l'aide d'un prototype de véhicule en 2020.

Grâce au récent financement fourni par le projet 11th Hour, Peacock et Lermusiaux espèrent développer des modèles qui donnent des prédictions de plus en plus précises sur la façon dont les panaches miniers en eaux profondes traverseront l'océan. Ils continueront à interagir avec leurs collègues universitaires, agences internationales, ONG, et les entrepreneurs pour se faire une idée plus précise de l'impact environnemental de l'exploitation minière en eaux profondes.

« Il est important d'avoir la contribution de toutes les parties prenantes au début de la conversation pour aider à prendre des décisions éclairées, afin que nous puissions bien comprendre l'impact environnemental des ressources minières de l'océan et le comparer à l'impact environnemental des ressources minières sur terre, " dit Paon.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.