Brevet FR2916222A1 — publié le 20081121

-1- La présente invention concerne un dispositif autonome destiné à collecter et remonter les nodules poly-métalliques présents au fond de l'océan à de très grandes profondeurs. Les nodules poly-métalliques, ou nodules de manganèse, reposent sur le fond de l'océan (plancher sédimentaire) le plus souvent à demi recouverts par des sédiments. Ces sédiments sont des boues non consolidées à très faible résistance mécanique et à forte teneur en eau, composées principalement de débris de radiolaires et d'hydroxydes de fer et de manganèse. Les nodules se présentent sous la forme de petites boules de cinq à dix centimètres de diamètre légèrement aplaties d'une masse volumique humide d'environ deux grammes par centimètre cube et se détachent très facilement du fond sur lequel ils sont posés. On trouve ces nodules à différentes profondeurs mais la plus grande concentration se situe sur des plages à nodules situées entre 3000 et 6000 mètres de profondeur. Sur ces plages, d'une largeur variant de 1 à 5 kilomètres et d'une longueur dépassant rarement 10 à 20 kilomètres, la teneur moyenne en minerai est de 10 à 15 Kg/m2 et diminue à 7 Kg/m2 sur des pentes supérieures à 8-10 %. Ces plages à nodules , présentes dans tous les océans, sont délimitées par de forts reliefs ou obstacles naturels. Il est important de bien visualiser la topographie de ces lieux ainsi que la pression y régnant avant d'envisager un procédé susceptible de collecter ces nodules. Depuis la découverte de ces nodules, plus de quatre cent brevets ont été déposés à travers le monde pour tenter de les récolter de manière économique. Les méthodes proposées actuellement peuvent être divisées en deux grands principes : Le premier proposant un lien avec la surface ; mécanique, avec des godets et des filets ou hydraulique, grâce à des pompes et des tuyaux ; le second principe décrit des méthodes autonomes où, des robots collectent le minerai et remontent à la surface. -2- Ces différentes méthodes, ont toutes leurs défauts mécanismes très complexes ; utilisation impossible par forte houle positionnement très précis à conserver pour le navire de surface autonomie limitée des engins autonomes ; poids des dispositifs coûts d'exploitation et d'investissement prohibitifs ; mais surtout impossibilité, en l'état actuel des technologies proposées, à opérer par de très grandes profondeurs. Les brevets qui utilisent le principe de godets ou de filets pour racler le fond marin, sont également soumis à des problèmes de vitesses maximales du navire car les forces hydrodynamiques exercées sous l'eau sur les godets ou les filets sont proportionnelles au carré de la vitesse de déplacement. De même, il faut prendre en compte les phénomènes de vibrations très pénalisants pour les câbles. Tout ceci empêche actuellement une exploitation économiquement rentable des plages de nodules situées par 3000 à 6000 mètres de profondeur. La protection de l'environnement est également source de problèmes, car de nombreuses solutions proposées remontent des sédiments qui sont ensuite rejetés à la surface modifiant ainsi l'écosystème sur de grandes étendues. Avantageusement la présente invention permet de concevoir un dispositif destiné à collecter et remonter les nodules polymétalliques situés à de très grandes profondeurs dans l'océan en s'affranchissant de toutes les contraintes précitées : travail possible par tous les temps ; à toutes profondeurs ; sans modifications sensibles de l'écosystème et à un coût d'exploitation réduit au strict minimum. Afin de cerner l'inventivité et l'utilité de l'invention, il convient ici de bien comprendre que l'une des difficultés rencontrées aux profondeurs auxquelles se situent les nodules vient du fait que les ballasts, qui doivent servir à faire remonter un engin autonome, doivent être pressurisés à très haute pression pour une quantité d'air disponible à grande profondeur très faible. Ceci étant évidement dû aux très fortes pressions régnant à ces profondeurs. -3-Avantageusement, la présente invention utilisera notamment les propriétés de l'eau de mer définies par ses équations d'état pour permettre au dispositif autonome de collecte de nodules poly-métalliques situés à de très grandes profondeurs objet de la présente invention de remonter à la surface. En effet, ces équations d'état de l'eau de mer nous montrent qu'à salinité constante et pression donnée, une variation de température entraîne une variation inverse de densité de l'eau de mer. A titre d'exemple, pour une pression de 600 bars et une température de 2 (deux) degrés Celsius, qui correspondent approximativement aux paramètres régnant par 6000 mètres de profondeur, la masse volumique de l'eau de mer est d'environ 1055 Kg/m3. Une simple augmentation de la température à même pression, diminue la masse volumique. Pour une température de 20 (vingt) degrés Celsius, cette masse diminue à environ 1049 Kg/m3. Cette différence de masse entraînera ce volume d'eau chaude vers le haut à la recherche d'une couche isopycnale rencontrant cette fois ci une diminution de pression qui entraîne une nouvelle diminution de sa masse volumique. De même, toujours à cette profondeur de 6000 mètres et à cette température de 2 (deux) degrés Celsius, une simple désalinisation réduit la masse volumique de l'eau à 1028 Kg/m3. Il convient maintenant, de s'attarder sur un autre principe bien connu auquel fera appel le dispositif objet de la présente invention. Ce principe est la réaction de Goldschmidt plus connu sous le nom de Thermite, breveté en 1895 par Hans Goldschmidt. Cette réaction est particulièrement bien décrite dans le brevet américain US Pat n 2,229,245. C'est une réaction aluminothermique très fortement exothermique dans laquelle le métal aluminium est oxydé par l'oxyde d'un autre métal qui est généralement de l'oxyde de fer. La réaction est la suivante : Fe2O3 + 2AI --> AI2O3 + 2Fe + 847 K3/mol. Cette réaction peut atteindre une température d'environ 2500 degrés Celsius (3000 C théoriques) libérant approximativement 3985 Joules/grammes. De plus, -4la Thermite ne requiert pas d'air lors de sa combustion et peut donc tout à fait se consumer sous l'eau. Cette chaleur dégagée lors de la réaction aluminothermique, est intéressante car a ces profondeurs, la chaleur spécifique de l'eau de 5 mer est d'environ 3850 Joules/Kg/ C. Avantageusement, il peut être ajouté au mélange d'aluminium et d'oxyde de fer formants la Thermite, d'autres composants tels que décrits dans le brevet américain US pat n 5,429,691 pour générer des gaz lors de la combustion de la Thermite. 10 Ces gaz pouvant être, à titre d'exemple non limitatif, de la vapeur d'eau. Indifféremment, un mélange de Thermate, qui est de la Thermite à laquelle on a ajouté du nitrate de baryum et du souffre pourra donner les mêmes effets. La Thermate atteignant même des 15 températures plus élevées que la Thermite. Avantageusement, l'oxyde d'aluminium et le fer issus de la combustion peuvent être ensuite récupérés sous forme solide pour être ensuite recyclés. Certaines caractéristiques et avantages de l'invention 20 apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, concernant un mode de réalisation préféré mais nullement limitatif, d'un dispositif autonome destiné à collecter et remonter les nodules poly-métalliques situés à de très grandes profondeurs dans l'océan selon l'invention en faisant référence aux dessins annexés, dans 25 lesquels : - La figure 1 représente le dispositif de l'invention replié dans sa configuration précédant son lancement à la mer et pendant sa descente vers le fond. On y distingue les quatre bras (1) qui génèrent un flux f et maintiennent en position verticale le filet (2) de 30 ramassage des nodules poly-métalliques. On y remarque également la tête (3) arrondie et légèrement pointue. - La figure 2 représente une coupe verticale de l'océan sur -5- laquelle on peut voir une chronologie simplifiée concernant le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention venant d'être largué d'un navire jusqu'à sa remontée autonome. - La figure 3 représente une vue générale du filet (2) de relevage des nodules poly-métalliques dans sa phase initiale de remontée. Ledit filet (2) ayant indifféremment une forme ronde ou carrée. La traction T est générée par le dispositif objet de l'invention lors de sa remontée autonome sur le filet (2). La coupe détaille à titre d'exemple non limitatif, les poches (4) dans lesquelles les nodules poly-métalliques N sont piégés lors du relevage du filet. - La figure 4 représente une coupe du dispositif de l'invention avec son parachute de levage (5) déployé dans laquelle on distingue : Les bras (1) et le filet de relevage (2), la tête (3) du dispositif qui supporte une bouteille (6) d'air sous forte pression, la chambre de combustion (7) remplie de Thermite (8) dans laquelle est placé un bouchon allumeur (9). La chambre de combustion (7) est équipée d'une soupape de surpression (10) et est surmontée d'une grille de protection (11). Ladite grille est destinée à protéger l'enveloppe du parachute de relevage (5) contre un échauffement destructeur. On y distingue également des câbles (12) qui maintiennent le parachute de relevage (5) à la tête (3) du dispositif ainsi qu'un anneau de récupération (13) surmontant le parachute de relevage (5) destiné à faciliter la récupération du dispositif par un navire une fois celui-ci remonté en surface. - La figure 5 représente un bras (1) partie du dispositif de la présente invention courbé en sa partie supérieure vers l'extérieur de l'axe de symétrie dudit dispositif sur lequel on distingue le support (14) maintenant le filet (2) en position verticale pendant toute la phase de descente et qui, une fois au fond, permet au filet (2) de se tendre judicieusement sur une surface maximale. On remarque sur cette figure, un quart de cylindre (15) fixé au bras (1) ne comportant pas de partie inférieure. En effet, une fois les quatre bras (1) montés sur la -6- tête (3) du dispositif de la présente invention, les quatre quarts de cylindre (15) forment un caisson qui permet de recouvrir le parachute de levage (5). Ledit parachute recouvrant la grille de protection (11). La Vue suivant A représente en vue de dessus, les quatre quarts de cylindre (15) formant ledit caisson améliorant ainsi les qualités hydrodynamiques du dispositif en diminuant sa traînée lors de la descente. Chaque quart de cylindre (15) supporte en sa partie supérieure un dispositif de guidage (16) chargé d'écarter l'un ou l'autre des quatre bras (1) par translation e afin de modifier l'hydrodynamisme du dispositif de l'invention en vue de son guidage par rapport à des balises sonar pour atteindre des coordonnées précises d'atterrissage. - La figure 6 représente la chambre de combustion (7), remplie de Thermite (8) dans laquelle on distingue un bouchon allumeur (9) équipé d'un retardateur chargé d'allumer la Thermite après un délai adéquat. La chambre de combustion (7) se compose d'une chambre principale (17) évidée en son centre pour permettre le passage de la bouteille (6) d'air sous forte pression et de chambres secondaires (18) qui permettent un meilleur échange de chaleur avec le milieu liquide extérieur en multipliant les surfaces chaudes en contact avec l'eau. Ladite chambre de combustion est surmontée d'une soupape de surpression (10) pour permettre une évacuation des gaz, éventuellement générés par la combustion exothermique, en évitant une surpression dans la chambre de combustion (7) elle évite également l'entrée d'eau de mer dans la chambre de combustion (7) ce qui risquerait de produire de l'hydrogène au moment du contact entre l'eau et le métal en fusion. - La figure 7 représente la grille de protection (11) destinée a eviter que le parachute de levage (5) plié dans le cylindre formé par les quatre quarts de cylindre (15) ne soit en contact avec la chambre de combustion (7). En effet, ledit parachute de levage (5) sera très faiblement rempli d'eau au début de la combustion et risquerait d'être -7- endommagé par le contact avec des pièces chauffées à de fortes températures. Ladite grille de protection (11) est perforée de multiples trous pour permettre une circulation correcte de l'eau de mer autour de la chambre de combustion (7). Le dispositif ainsi créé selon l'invention, permet de concevoir un dispositif autonome destiné à collecter et remonter les nodules poly-métalliques situés à de très grandes profondeurs dans l'océan que l'on larguera d'un navire en surface dans sa position repliée, visible sur la figure 1. Il est aisé, après avoir lancé puis localisé au sonar deux balises au moins, de programmer le dispositif objet de la présente invention afin que celui-ci atteigne des coordonnées précises lors de son atterrissage au fond de l'océan. En effet, le dispositif de guidage (16) écarte légèrement l'un ou l'autre des quatre bras (1) afin de modifier l'hydrodynamisme du dispositif de l'invention pour le guider vers un point précis. A titre d'exemple, sans que celui-ci ne soit limitatif, des vis sans fin actionnées par de petits moteurs électriques branchés sur batteries peuvent tout à fait gérer ce dispositif de guidage (16). Une simple correction de trajectoire de 1 en surface, entraînant une correction de 104 mètres par 6000 m de profondeur. Avantageusement, lors de sa descente vers le fond, le dispositif replié, visible sur la figure 1, reste dans cette configuration car les quatre bras (1) étant creux et légèrement courbés vers l'extérieur de l'axe de symétrie du dispositif en leur partie supérieure, permettent une circulation d'eau exerçant une force f qui tend à maintenir ledit dispositif fermé tout en le stabilisant. Force f détaillée figure 1. Avantageusement, lors de son contact avec le fond marin, la tête (3), arrondie et légèrement pointue, maintiens le dispositif en position verticale quelques instants pendant la descente des quatre bras (1) chargés d'étaler le filet (2) de relevage des nodules polymétalliques. Les quatre bras (1), une fois en contact avec le fond, -8- permettent au filet (2) de se dégager par son propre poids des supports de maintien (14) sur lesquels il était jusqu'alors simplement posé. Le filet (2) se trouve ainsi étalé sur le fond et maintenu au dispositif objet de la présente invention par ses fixations à la tête (3). Avantageusement, la descente des quatre bras (1), ouvre le caisson formé par les quatre quarts de cylindre (15) libérant ainsi le parachute de levage (5) plié sur la grille de protection (11). Ledit caisson n'étant pas étanche, de l'eau est présente en faible quantité à l'intérieur dés la mise à l'eau du dispositif objet de la présente invention. A l'issu d'un délai adéquat, le bouchon allumeur (9) équipé d'un retardateur allume la Thermite (8). Cette mise à feu pouvant également se faire grâce à un déclanchement à l'impact ou par tout autre moyen adapté. La chaleur intense dégagée par la combustion exothermique, se propage au fur et à mesure de la chambre principale (17) aux chambres secondaires (18) augmentant ainsi la surface de contact entre les pièces chaudes et l'eau. Par simple gravité, la faible quantité d'eau présente dans le parachute de levage (5), s'échauffe rapidement et s'élève du fait de sa masse volumique moins importante, celle-ci viens ainsi gonfler le parachute de levage (5) tout en aspirant de l'eau de température moins élevée par la partie inférieure dudit parachute. Avantageusement, la bouteille (6) d'air sous forte pression, elle aussi réchauffée par la température générée par la combustion de la Thermite dans la chambre de combustion (7), voit son volume de gaz se dilater proportionnellement à la température. La pression dans la bouteille (6) d'air lors de la mise à l'eau du dispositif objet de la présente invention, est équivalente ou supérieure à la pression ambiante régnant aux profondeurs prévues pour le ramassage des nodules poly-métalliques. Ladite bouteille (6) est tarée pour s'ouvrir et laisser s'échapper l'air pour une pression des gaz supérieure, à titre d'exemple non limitatif, de 100 (cent) bars à sa pression interne. -9- Sous l'effet de la température générée par la combustion, la pression interne de la bouteille (6) augmente pour atteindre le seuil d'ouverture de ladite bouteille. Avantageusement, les gaz dilatés ainsi libérés viennent gonfler le parachute de levage (5) conçu en matériau isolant et étanche. Ces gaz se trouvent ainsi piégés entre la partie supérieure du parachute de levage (5) conçu en matériau isolant et une couche d'eau chaude leur conservant ainsi un maximum de volume possible. Pour simple exemple, la température d'ébullition de l'eau de mer par 3000 mètres de profondeur est de 400 degrés. Eventuellement, Un supplément de gaz peut être apporté par la production de gaz chauds qui peuvent être générés lors de la combustion de la Thermite. Lesdits gaz s'échappant par la soupape de surpression (10). Méthode de production de gaz décrite pour autre exemple non limitatif, dans le brevet américain US pat n 6,627,013. Avantageusement, de la vapeur d'eau condensée se crée sur la toile du parachute de levage (5) créant ainsi une couche d'eau à salinité nulle surnageant dans ledit sac entre l'eau de mer et les gaz chauds. La quantité de Thermite (8) comprise dans la chambre de combustion (7), détermine un temps de chauffe et une chaleur spécifique disponible de manière à élever la température d'un volume d'eau et d'air nécessaires pour soulever la masse de nodules fonction de la surface du filet (2) de relevage. En effet, avec un poids humide des nodules d'environ deux grammes par centimètre cube, et une masse volumique de l'eau de mer sensiblement égale à un gramme par centimètre cube, il faut approximativement déployer une force verticale d'un gramme pour deux grammes de nodules remontés. Sachant que la quantité moyenne de minerai est de 10 à 15 Kg/m2, il faut au maximum générer une force, poids apparent du dispositif objet de la présente invention non compris, de 7,5 Kg par mètre carré de filet (2) de relevage déployé. Ce qui correspond approximativement, soit à une élévation de température de 25 (vingt cinq) C d'un mètre cube d'eau - 10 - de mer par une profondeur de 6000 mètres à salinité, pression et température standard, soit à une diminution de la salinité à 25 % ou enfin, à un volume de 7,5 litres de gaz. Avantageusement, une fois le parachute de levage (5) gonflé et une force ascensionnelle obtenue, le filet (2) de relevage racle le sol permettant ainsi aux poches (4) de récolter les nodules polymétalliques présents sous le filet (2) tout en laissant les sédiments se reposer sur le lieu de ramassage préservant ainsi au maximum l'écosystème du lieu considéré. Phase visible sur la figure 3. Lors de la remontée du dispositif objet de la présente invention vers la surface, la dilatation des gaz présents sous le parachute de levage (5) chasse progressivement l'eau présente sous ledit parachute puis l'excès de gaz, régulant ainsi la vitesse de remontée du dispositif. Avantageusement, les nodules poly-métalliques présents dans les poches (4) ne peuvent en sortir pour quelque raison fortuite, lors de la récupération du dispositif en surface par exemple, du fait du resserrement du filet (2) de relevage sous l'action de la gravité. Une fois le dispositif objet de la présente invention arrivé en surface, un navire peut récupérer ledit dispositif grâce à l'anneau de récupération (13) surmontant le parachute de relevage (5). Fonction des courants marins présents en surface, il peut être judicieux de laisser le dispositif objet de la présente invention dériver quelques temps pour qu'il se rapproche des côtes, diminuant ainsi d'autant le coût de transport des nodules poly-métalliques par voies maritimes vers une usine de traitement située à terre. Pour ce faire, une balise de localisation peut être judicieusement ajoutée au dispositif de l'invention. Avantageusement, les nodules d'oxyde d'aluminium et de fer issus de la réaction de la Thermite ou de la Thermate, présents dans les chambres secondaires (18), sont ensuite récupérés en même temps que les nodules poly-métalliques pour être retraités. REVENDICATIONS : 1 Dispositif autonome destiné à collecter et remonter les nodules poly-métalliques situés à de très grandes profondeurs dans l'océan. 2 Dispositif suivant la revendication 1, équipé de bras (1) qui maintiennent le filet (2) de ramassage des nodules poly-métalliques jusqu'à ce que ledit filet soit correctement étalé sur le fond de l'océan. 3 Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par son dispositif de guidage (16) modifiant l'hydrodynamisme du dispositif objet de la présente invention de manière à permettre un positionnement précis dudit dispositif sur une plage de nodules par rapport à des balises, localisées au sonar et pré positionnées sur ladite plage. 4 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par sa chambre de combustion (7) remplie de Thermite (8) ou de Thermate destinée à réchauffer l'eau de mer sous le parachute de levage (5). 5 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par sa chambre de combustion (7) remplie de Thermite (8) ou de Thermate destinée à réchauffer une bouteille d'air (6) sous forte pression afin de dilater cet air. 6 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par sa chambre de combustion (7) remplie de Thermite (8) ou de Thermate et de composants adaptés destinés à générer des gaz d'appoint pour augmenter le volume de gaz dans le parachute de levage (5). 7 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par son parachute de levage (5) isolant et étanche destiné à conserver leur chaleur aux gaz et liquides piégés dans ledit parachute ainsi qu'a condenser la vapeur d'eau produite. 8 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par les poches (4) dans lesquelles les nodules-12-poly-métalliques sont piégés lors du relevage du filet (2). 9 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, engendrant un impact minimal sur l'écosystème du lieu de ramassage grâce à son filet (2) de relevage ayant de préférence une forme carrée, équipé de poches (4), où seuls les nodules polymétalliques sont collectés. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, pouvant dériver en surface avant une récupération plus proche des côtes, diminuant d'autant les coûts de transports du minerai. 10 20 25 30