(57)【要約】本発明は、対象物（１）を海底から引き上げる方法であって、対象物（１）を浮力バルーン（１０）に連結するステップと、浮力バルーン（１０）が対象物（１）とともに浮揚運動するステップとを備える方法に関する。浮力バルーン（１０）には水などの浮力液体が充填されており、この浮力液体の温度は当該浮力バルーン（１０）の周囲の海水の温度よりも高い。また、本発明は、対象物（１）を海底から引き上げるよう構成されるバルーン装置（１００）に関する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物（１）を海底（２）から引き上げる方法であって、
前記対象物（１）を浮力バルーン（１０）に連結するステップと、
前記浮力バルーン（１０）が前記対象物（１）とともに上昇移動するステップと、を備え、
前記浮力バルーン（１０）には、前記浮力バルーン（１０）の周囲の海水の温度よりも高温の浮力流体（３）が充填されている、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記浮力バルーン（１０）が前記対象物（１）とともに上昇移動を開始する時点において、前記浮力バルーン（１０）内の前記浮力流体（３）の温度が８０℃から３５０℃の間である、方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の方法であって、
前記浮力流体は、水（３）又は流体の炭化水素化合物を含む、方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法であって、
海底の前記浮力バルーン（１０）内の前記浮力流体（３）は電熱装置（５０）で加熱される、方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記浮力バルーン（１０）には、海中水源（４）及び／又は海中掘削孔（５）から水が充填される、方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記浮力バルーン（１０）は、上昇移動中、その全側面が閉鎖されている、方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記浮力バルーン（１０）の状態変数は、上昇移動中、前記浮力バルーン（１０）内の前記浮力流体（３）が部分的に蒸気状態、特に水蒸気（６）に変換されるよう調整される、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
前記水蒸気は、上昇移動を加速するために用いられる、及び／又は少なくとも部分的に周囲の海水中に分散される、方法。
【請求項９】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記浮力バルーン（１０）の状態変数は、上昇移動中、前記浮力バルーン（１０）内の前記浮力流体（３）が流体状態を維持するよう調整される、方法。
【請求項１０】
請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記浮力バルーン（１０）の調整された状態変数は、上昇移動を開始する時点における前記浮力流体（３）の温度、前記浮力バルーン（１０）の体積、及び前記浮力バルーン（１０）のバルーンエンベロープ（１１）の熱伝導率のうち、少なくとも一つを含む、方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記対象物が連結された前記浮力バルーン（１０）は、上昇移動中、海底から船舶（４０）へ延びる案内装置（３０）に接続される、方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の方法であって、
前記対象物（１）は、金属性の含有物を含む複数の地質学上の塊を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の方法であって、
折り畳み状態の前記浮力バルーン（１０）が、バラスト体（１３）の作用により前記海底（２）へ降下移動するステップと、
前記浮力バルーン（１０）の供給開口部（１２）が前記海底（２）に面するように、前記浮力バルーン（１０）を前記海底（２）に位置決めするステップと、
前記対象物（１）を前記浮力バルーン（１０）に連結するステップと、
前記浮力バルーン（１０）が初期引き上げ移動を実行するように、高温の前記水（３）を前記浮力バルーン（１０）に供給するステップと、
前記対象物（１）の重量の作用で前記供給開口部が閉鎖するステップと、
前記浮力バルーン（１０）がさらに引き上げ移動するステップと、を備える方法。
【請求項１４】
対象物（１）を海底（２）から引き上げるバルーン装置（１００）であって、
バルーンエンベロープ（１１）が取り付けられ、内部に浮力流体を充填可能な浮力バルーン（１０）と、
前記対象物を前記浮力バルーン（１０）に連結可能な保持装置（２０）とを備え、
前記浮力バルーン（１０）は、前記浮力バルーン（１０）の周囲の海水の温度よりも高温にされた前記浮力流体を収容するよう構成されており、
前記バルーンエンベロープ（１１）の熱伝導率は、前記浮力バルーン（１０）内の前記浮力流体を高温に維持可能なほど低い、バルーン装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のバルーン装置であって、
前記バルーンエンベロープ（１１）は閉鎖可能な供給開口部（１２）を含み、これを通して前記浮力バルーン（１０）に前記浮力流体（３）を充填することができる、バルーン装置。
【請求項１６】
請求項１４から請求項１５までのいずれか一項に記載のバルーン装置であって、
前記バルーンエンベロープ（１１）は、柔軟性があり折り畳み可能な材料で製造されている、及び／又は、
前記供給開口部（１２）は、前記バルーンエンベロープ（１１）に開口部を含む、バルーン装置。
【請求項１７】
請求項１４から請求項１６までのいずれか一項に記載のバルーン装置であって、
前記バルーンエンベロープ（１１）は積層複合材料を含む、バルーン装置。
【請求項１８】
請求項１４から請求項１７までのいずれか一項に記載のバルーン装置であって、
前記バルーンエンベロープ（１１）は、その熱伝導率が、上昇移動中、前記浮力バルーン（１０）内の前記浮力流体（３）が部分的に蒸気（６）に変換されるよう選択されている材料を含む、バルーン装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載のバルーン装置であって、
前記バルーンエンベロープ（１１）はバルブ装置（１４）を含み、これによって蒸気（６）が前記浮力バルーン（１０）の内部から周囲に放出可能である、バルーン装置。
【請求項２０】
請求項１４から請求項１７までのいずれか一項に記載のバルーン装置であって、
前記バルーンエンベロープ（１１）は、その熱伝導率が、上昇移動中、前記浮力バルーン（１０）内の前記浮力流体（３）が流体状態を維持するよう選択されている材料を含む、バルーン装置。
【請求項２１】
請求項１４から請求項２０までのいずれか一項に記載のバルーン装置であって、
前記保持装置（２０）は少なくとも一つの保持ケーブル（２１）を含む、バルーン装置。
【請求項２２】
請求項１４から請求項２１までのいずれか一項に記載のバルーン装置であって、
折り畳み状態の前記浮力バルーン（１０）がその作用によって降下移動を実行することができ、前記海底（２）に保持される、バラスト体（１３）と、
前記浮力バルーン（１０）をその作用によってフロート状態に保持することができる浮力体（１５）、及び／又は、降下移動中、折り畳み状態の前記浮力バルーン（１０）をその作用によってピンと張った状態に保持することができる複数の案内体（１６）、
とを備えるバルーン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底から少なくとも一つの対象物を引き上げる方法に関し、特に、マンガン団塊又は金属を含有するその他の対象物などの鉱石原料、又は難破船の残骸などのそのほかの積み荷を海底から海面へ運搬する方法に関する。また、本発明は、海底から少なくとも一つの対象物を引き上げる装置に関する。本発明は、例えば、天然資源の水中採掘、又は海底からの対象物の回収において利用される。
【背景技術】
【０００２】
深海（１０００ｍ超、特に２０００ｍ超の深さ）では、海底に、浮石状の天然資源である鉱石原料が存在する（例えば、マンガン団塊、燐灰岩、鉱石）。例えば深海では、現場の水圧や温度といった条件により金属礫岩状の溶解物質が沈殿していることが知られている。例えば、鉱石上に、金属性の団塊、又は例えば、マンガン、コバルト、及びそのほかの材料などの金属もしくは金属化合物の金属性の表面コーティングが形成される。このように沈殿した金属又は金属化合物が密集する海底は、例えば太平洋において、経済的に非常に重要な鉱床を形成している。
【０００３】
深海からの鉱石原料の商業的回収には、今までのところ十分に解決されていない技術的な課題がある。吸引装置を用いて２０００ｍ〜７０００ｍの深さの海底を吸い上げ、これによって例えば金属礫岩を回収する試みは、深海のハビタットとその上方に位置する水域の保護に反している。ＤＥ３２２５７２８Ａ１は、いわゆるクリオグリッパーを用いたマンガン団塊の採掘を提案しているが、これは実際には深海での使用という限られた範囲でのみ適したものであり、マンガン団塊を海面に引き上げることはできない。
【０００４】
現実的な目標は、海底の原料の鉱床を活用する際に、以下の条件を満たすことである。（１）生物学的な動物相を破壊することなく、選択的かつ直接的に原料を回収する。（２）海水の層及び水流の状態に重大な損傷を与えることなく、海面までの残留物ゼロ運搬を行う（すなわち、回収作業中、海面に運搬される材料が表面水に戻ることなく、また様々な深度間隔で海底に堆積しない及び／又は流水中に分散されることがない）。条件（１）のおかげで海底の吸引は除外され、条件（２）は、回収するべき材料は運搬されるもののみであり、すなわち、最も好ましくは金属礫岩のみであることを意味する。
【０００５】
海底の金属性の団塊を個々にあるいはまとめて収集可能なロボットシステムが提案されてきたが、今までのところ、全体でおよそ数トンの金属性の団塊を海面まで２０００ｍ〜７０００ｍの距離を運搬し、そこから船舶へと運び込むための実用化された技術は存在しない。今日に至るまで、収集された原料を最小限の損傷で海面まで運搬する、環境に優しくエネルギー効率のよい方法はない。この問題の解決は、大陸棚から遠く離れた外洋の深海領域では、回収技術を固定的な位置ではなく不安定な位置に設置することとなる点において、一層困難となる。
【０００６】
海から大きな積み荷を回収する際の特定の問題として、揚力を得ることが難しいということがある。静水圧は、１０ｍごとに１バール増加する。したがって、４０００ｍの深さでは、４００バール＝４０ＭＰａの水圧がかかることになる。この水圧では、ガス体積が圧縮されてほとんど揚力が生じないため、浅水域における難破船の残骸の回収と同様に、ガス充填システムを用いて揚力を与えることができない。
【０００７】
深海潜水器具用のリフティング技術において、圧力抵抗性のある複合媒質に埋め込まれ、空気の詰まった圧力抵抗性のあるガラス球からなるガラス球フォーム（Ｔｒｅｌｌｅｂｏｒｇ社が製造するＥＬ３４など、いわゆるシンタクチックフォーム）が用いられる。しかしながら、これらのフォームでは、１０％〜２０％程度の相対的な浮力がもたらされるだけである。また、深海潜水器具において、例えばベンゼンが詰まった圧力抵抗性のない容器状の揚力体が既知の技術である。しかしながら、ここでも、生じる浮力は小さく、原料の回収には不十分である。また、使用の際に活発な動力や負荷の作用を利用して容器を深海に沈めることは不都合なことがある。また、数キロメートルの深さに対応して設計され、圧力抵抗性のある外殻を装備した手動制御の大型潜水車両も、コストの点から、原料回収には不適切である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第３２２５７２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、海底から少なくとも一つの対象物を引き上げる改良された方法及び改良された装置、特に、鉱石原料又は積み荷を海底から海面へ運搬することを目的として、従来技術の問題点を回避する方法及びその装置を提供することである。本発明は、特に、例えば原料などの大質量の品目を、海底から海面に向けて、最小限の損傷で、環境に優しい及び／又はエネルギー効率のよい方法で運搬することを可能とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的は、独立請求項に記載の特徴を備える方法及び装置により実現される。本発明の好適な実施形態及び用途は、従属請求項より導かれる。
【００１１】
第１の様態によれば、本発明は、海底から少なくとも一つの対象物を引き上げる方法であって、少なくとも一つの対象物が浮力バルーンに接続されており、対象物とともに浮力バルーンの上昇移動が行われる方法を提供する、一般的な技術的教示に基づくものである。本発明によれば、浮力バルーンに浮力流体が充填されることが規定される。また、本発明によれば、浮力バルーン内の浮力流体の温度が浮力バルーンの周囲の海水の温度より高くなることが規定される。浮力流体は、通常、その密度が水、特に海水の密度以下である流体である。浮力流体の質量密度は、例えば、１１００ｋｇ／ｍ３未満、特に１０５０ｋｇ／ｍ３未満（例えば、１０００ｋｇ／ｍ３未満）である。浮力流体は、例えば、水、又は流体の炭化水素化合物である。高温では、周囲の海水の質量密度に対する浮力バルーン内の浮力流体の質量密度は著しく低下し、従来技術に比べて高い揚力が生じる。本発明によれば、数トン程度、特に１トンを超える、例えば５トン〜１０トン、又はそれ以上の、大きな塊を海底から引き上げることができる。好都合には、浮力バルーンの浮力流体として用いる場合、水は海底でも入手可能であり、従来の揚力体の場合のように海底まで運搬する必要がない。加熱した流体の炭化水素化合物を使用するということは、これを海底の浮力バルーンへと運搬する必要があることを意味する。しかしながら、従来の引き上げ用のベンゼン使用とは対照的に、揚力の増加及び／又は体積を抑えた浮力バルーン使用の選択からは利点が導かれる。
【００１２】
第２の様態によれば、本発明は、海底から少なくとも一つの対象物を引き上げるよう構成されるバルーン装置であって、バルーンエンベロープ（バルーンスキン）を有して内部空間を浮力流体で充填することができる浮力バルーンと、少なくとも一つの対象物を浮力バルーンに連結することができる保持装置とを備えるバルーン装置を提供する、一般的な技術的教示に基づくものである。本発明によれば、浮力バルーンは、浮力バルーンの周囲の海水の温度よりも高温の浮力流体を収容するよう構成されている。また、本発明によれば、バルーンエンベロープは、浮力バルーン内の浮力流体を高温で維持できるよう、熱伝導率が低くなっている。熱伝導率は、バルーン装置の海面までの上昇移動に必要な時間の間、浮力バルーン内の浮力流体を高温で維持できるよう、選択される。本発明のバルーン装置は水中輸送手段であり、浮力バルーン内の加熱された浮力流体の静的な浮力によって支持される。浮力バルーンは、高温の、例えば水又は流体の炭化水素化合物を収容するよう構成されている。
【００１３】
本発明によれば、浮力流体として水を用いることが特に好ましい。「水」という用語は、化学的純水とこれに溶解する任意の物質を含有する流体を指す。水は塩類を含んでもよく、特に化学的に海水と同一であってもよく、又は地下水を含んでもよい。また、浮力流体として流体の炭化水素化合物が用いられる。「流体炭化水素化合物」という用語は、その密度が深海の水の密度以下である任意の有機流体、例えば、エタノール、ベンゼン、軽油などを指す。
【００１４】
海底から少なくとも一つの対象物を引き上げるために、浮力バルーンは、通常、海底に直接設けられる。浮力バルーンには高温の浮力流体が充填済みである又は充填されることになり、海面の方に向って移動させられる。ただし、「海底から」という表現は、引き上げの対象物が直接海底に位置しない場合、例えば使用される回収技術によって、海底からある程度の高さ、例えば台上に配置されている場合における本発明の使用も含むものである。本発明によれば、少なくとも一つの対象物が、海面の方向に向かって海底から引き上げられる（吊り上げられる）。通常、運搬プロセスは海面までのものであり、そこで少なくとも一つの対象物は船上に移動させられる。また、運搬プロセスは、海面下、例えば海中の運搬装置、又は海底の別の位置に通じてもよい。
【００１５】
本発明は、通常は固体を含む、様々な種類の対象物の運搬に適している。好ましくは、少なくとも一つの対象物は、金属性の団塊などの多様な原料体の入ったネットやかごなどの容器を含んでもよい。好都合には、本発明は、質量が数トン程度になる取得した金属性の団塊を、選択的に、時には外部エネルギー源を使用することなく、環境に優しい方法で深海から海面へ運搬し、外洋の船舶によってこれを回収することを可能とする。さらに好都合には、このプロセスは、必要に応じてたびたび繰り返すことができ、海底の追加要素を最小限に抑えて正確に実行することができる。現場の動物相及び現場上方の海水の体積のいずれも、この運搬プロセスによって全く又はほとんど影響を受けることがなく、汚染されることもない。
【００１６】
浮力流体の温度は、本発明の用途における特有の条件、特に運搬中の対象物の質量と運搬プロセスの持続時間によって選択することができる。上昇移動の開始時における浮力バルーン内の浮力流体の温度が、低くとも８０℃、特に１００℃及び／又は高くとも３５０℃、特に３００℃であるならば、浮力流体、特に浮力バルーン内の水の高い揚力及び流体状態の安定した維持という利点が導かれる。
【００１７】
海底又は浮力バルーン内の浮力流体を、例えば電熱装置により所望の温度まで加熱する選択肢もある。ただし、本発明の実施形態において、特に好ましくは、浮力バルーンは天然貯留層からの高温の水を含む浮力流体が充填される。深海には熱源（「ホットスモーカー」）が存在し、そこから最高で４００℃の水が噴き出されている。この温水は、必要であれば案内装置によって、浮力バルーンに案内され、浮力バルーンを熱源の上方又は近傍に展開することができる。このような温水源がない場合、既知の地熱を利用する方法を用いて海底を深層掘削することにより、人工的に温水源を生じさせることができる。このように、水は、好ましくは、海中水源及び／又は海中掘削孔から供給開口部を通じて浮力バルーンの内部に案内される。上記実施形態は、天然貯留層の水がすでに高温、例えば上述の範囲の温度であるという重要な利点を有する。こうして、地球の地熱を運搬プロセス用の自然エネルギーの貯蔵所として利用することができる。
【００１８】
特に、海底の浮力バルーンを充填するために、バルーンエンベロープが閉鎖可能な供給開口部を有し、これを通じて浮力バルーンに浮力流体を充填することが好ましい。水を用いる場合、供給開口部は、周囲の海水との温度均一化にかかる時間に比べるとほんのわずかな時間で浮力バルーンの充填を行うことができるようなサイズを有する。一方、流体の炭化水素化合物を用いる場合、供給開口部はもっと小さくてもよい。
【００１９】
上方への運搬のために、好ましくは供給開口部は、ホット・エア・バルーンの場合を除くと閉鎖されており、閉鎖装置は完全な防水性を備える必要がない。閉鎖装置は、周囲の冷水（例えば、−１℃〜＋５℃）と高温の浮力流体との間の直接的な熱交換が供給開口部で起こらないよう構成されている。本発明のさらに好適な実施形態によれば、上昇移動中、浮力バルーンは全方向が閉鎖されることが規定される。特に、供給開口部は、浮力バルーンの内部と周囲との間での流体の交換が防止又はほんのわずかとされるように、遮断される。これにより、対流による熱の流出が好都合に防止される。
【００２０】
好ましくは、バルーンエンベロープは柔軟性があり折り畳み可能な材料を含む。これにより、特に浮力流体として水を用いる場合に、浮力バルーンを折りたたまれた状態で素早くエネルギー効率のよい方法で海底まで運搬することができる。代替的に、又はこれに加えて、供給開口部はバルーンエンベロープ内に直接開口する開口部を有してもよい。これにより、バルーン装置の構造は好都合に簡略化される。
【００２１】
スキンが可能な限り軽量で薄くされるホット・エア・バルーンとは対照的に、本発明において用いられる浮力バルーンのバルーンエンベロープの厚さは、決定的な要因とはならない。よって、本発明のさらに好適な実施形態によれば、バルーンエンベロープは、積層複合材料を含んでもよく、任意でリブや補強材などの構造要素を備えてもよい。バルーンエンベロープは、例えば、プラスチック繊維複合材料及び／又はフォーム材料を含んでもよく、これらは熱伝導率が低いという利点を有する。積層複合材料は、それぞれ異なる機能を有する複数の層から形成することができ。ある層は例えば防水材料の層であってよく、別の層は例えば熱絶縁材料の層であってもよい。また、バルーンエンベロープは、熱絶縁材料の単一層から製造することもできる。
【００２２】
バルーン装置の支持性能は浮力バルーンの状態変数に依存し、これらの状態変数は上昇移動開始時の浮力バルーン内部の浮力流体の温度、上昇移動開始時の浮力バルーンの外面の海水の温度、浮力バルーンの体積、及びバルーンエンベロープの熱伝導率を含む。
【００２３】
本発明は、上記状態変数の少なくとも一つを調整することによってバルーン装置の支持性能を具体的に規定することができるという利点を有する。本発明の実用化においては、特に、引き上げ対象となる個別の対象物用に十分な支持性能が実現されるよう、浮力バルーンの体積及びバルーンエンベロープの熱伝導率を選択することができる。深海及び海面への上昇コースにおける固有の水圧及び温度条件により、浮力バルーン内の浮力流体が上昇移動中に異なる状態となるように、浮力バルーンの状態変数を調整することができる。状態変数の第１の変形例によれば、特にバルーンエンベロープの熱伝導率は、浮力バルーン内の浮力流体の一部が上昇移動中に蒸気、特に水蒸気に変換されるよう、選択される。この変換は、熱伝導率が低い（絶縁性能が高い）バルーンエンベロープを用いて、周囲の海水の静水圧が減少するにつれて浮力バルーン内の浮力流体の温度が沸点を超えるようにすることにより実現される。好都合には、蒸気を上昇移動の加速に用いることができる。例えば、浮力流体として水を用いる場合、水蒸気の一部を浮力バルーンから放出することができる。また、バルーンエンベロープの少なくとも一部分の浮力バルーンの体積が増加するよう膨らませてもよい。
【００２４】
一方、浮力バルーンの状態変数、特にバルーンエンベロープの熱伝導率を、蒸気の形成が防止されるよう選択することもできる。本発明のこの変形例は、浮力流体の沸点を超えることがないように海面へのコース上での浮力バルーン内の浮力流体の冷却が起こるよう、バルーンエンベロープの熱伝導率を選択することにより可能となる。本発明のこの変形例において、浮力バルーン内の浮力流体は上昇移動中も完全に液体状態にとどまる。
【００２５】
揚力は、重力とは反対の方向に向かう力である。したがって、浮力バルーンは、本質的に海面方向に向かって垂直方向に移動する。ただし、海中には水流があるため、浮力バルーンが上昇移動中にコースを外れて流れることがある。本発明のさらに好適な実施形態によれば、これを避けるために、浮力バルーンは、海底から海面の所定の位置、例えば船舶まで延びる案内装置を有する少なくとも一つの対象物に接続されることが規定される。案内装置は、例えば、海底と海面との間に配されたケーブルを含んでもよい。このケーブルが直線状に方向づけられていることは不可欠ではない。例えば、さまざまな深さの水流に応じて、曲線状であってもよい。加えて、案内装置は、海底への降下移動においてバルーン装置を案内するよう構成されてもよい。
【００２６】
特に好適な手順によれば、特に浮力流体として水を用いる場合、海底からの少なくとも一つの対象物の引き上げは、以下のステップにしたがって行われる。
【００２７】
まず、例えば船舶から海中に降ろすなど、バルーン装置の降下移動が起こる。浮力バルーンの柔軟性のあるエンベロープは、最初は空になっており、好ましくは折り畳まれている。また、好ましくはバルーン装置はバラスト体を備えている。バラスト体は、深海への降下移動及び海底の浮力バルーンの設置の補助に有利である。
【００２８】
海底に到着すると、浮力バルーンは、供給開口部が海底に面するように位置決めされる。好都合には、浮力バルーンに天然貯留層から高温の水を充填可能な場所で位置決めされ、少なくとも一つの引き上げ対象物、例えば必要に応じて容器に入った原料の塊などに方向を合わせている。
【００２９】
少なくとも一つの引き上げ対象物は、浮力バルーンに連結される。好ましくは、バルーン装置の保持装置は、浮力バルーンの周囲にかかったケーブルを含む。連結プロセスにおいて、少なくとも一つの対象物は直接ケーブルに接続される、又は対象物の入った容器がケーブルに接続される。
【００３０】
その後、浮力バルーンには水が充填され、この水の温度は周囲の海水の温度よりも高い。浮力バルーンは膨らんで、バルーンエンベロープの形状に対応する形状、例えば球形状をとる。これにより、浮力バルーンは初期引き上げ移動を実行する。好ましくは、この状態で、少なくとも一つの対象物を連結するためのケーブルを用いて供給開口部が閉鎖される。
【００３１】
さらに、その後、少なくとも一つの対象物とともに、浮力バルーンが海面へ引き上げ移動する。そして、引き上げ移動中、浮力バルーン内の水が徐々に冷却される。その結果、引き上げ移動の速度を抑えることができる。しかしながら、上昇移動開始時の状態変数を適切に選択することにより、海面への引き上げ移動は継続される。
【００３２】
本発明のさらに好適な実施形態によれば、浮力バルーンはバルブ装置を備える。特に好ましくは、バルブ装置は、発生した残留ガス又は水蒸気を浮力バルーンの内部から周囲に放出するために、バルーンエンベロープに接続される。
【００３３】
また、少なくとも一つの対象物を除く浮力バルーンとその要素をフロート状態に維持することができる浮力体を、バルーン装置に設けることにより、バルーン装置の海底への位置決め及び方向付けを好都合にすることができる。
【００３４】
また、案内体を備えるバルーン装置を提供するという選択肢も存在し、これは、バルーン装置の降下移動中、流体力学的作用を得ることができるという利点を有する。案内体は、降下移動中、折り畳み状態の浮力バルーンをピンと張った状態に保持することができる。
【００３５】
浮力バルーンが膨らむと、運搬容器が適切な金属礫岩とともに適切な方法で吊るされて、浮力バルーンの海底への係留が解除される。そして、浮力バルーンは積み荷を積んで海面に向って引き上げられ、そこでそっくりそのまま船舶に回収されて積み荷を外され、もう一度折り畳まれ重りが装着された状態で、再び深海へ送ることが可能となる。
【００３６】
要約すれば、本発明は、特に熱的に絶縁された浮力バルーンの利用に基づいており、この浮力バルーンは積み荷を支持することができ、深海においては、周囲の温度よりもずっと高温の水の塊が浮力バルーンの中に置かれるよう、熱源又は温水を引き出すために特定の位置に設けられた掘削孔により充填される。揚力にとってもう一つ重要な点は、深海におけるバルーンエンベロープの内部と周囲との間での温度差である。海面への上昇において、浮力バルーンの内部の体積が冷却するまでの時間や、海面及び船上への方向性を持った運搬も、同じく重要である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】深海における熱力学的条件を示す曲線である。
【図２】深海における熱力学的条件を示す曲線である。
【図３】本発明のバルーン装置の降下移動及び位置決めを模式的に説明する図である。
【図４】本発明のバルーン装置の充填及び積み荷の取り付けを模式的に説明する図である。
【図５】本発明のバルーン装置の充填及び積み荷の取り付けを模式的に説明する図である。
【図６】本発明のバルーン装置の上昇移動を模式的に説明する図である。
【図７】本発明のバルーン装置の上昇移動を模式的に説明する図である。
【図８】本発明のバルーン装置の上昇移動を模式的に説明する図である。
【図９】本発明の浮力バルーンのバルーンエンベロープの材料の好適な変形例を模式的に説明する図である。
【図１０】上昇移動中に水蒸気が放出される、本発明の別の実施形態を模式的に説明する図である。
【図１１】上昇移動中に水蒸気が放出される、本発明の別の実施形態を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の好適な実施形態の特徴を、展開状態の外形が球体、楕円体、又はそれらの合成などの回転体である浮力バルーンを備えたバルーン装置を参照して、例示的に説明する。しかしながら、本発明の実施は、実際にはここに示す形態には限定されず、例えば直方体形状など、平面及び／又は曲面の面を有する浮力バルーンであってもよい。また、浮力バルーンは、バルーンエンベロープが滑らかな面を有しているものとして示した例から離れて、構造化された面であってもよい。バルーンエンベロープの面は、例えば、埋め込まれた構造要素により波形となっていてもよい。
【００３９】
また、以下では、本発明の特に好適な実施形態として、浮力流体として水が用いられる実施形態について主に述べる。浮力流体として流体の炭化水素を用いる本発明の実施形態もこれに応じて実施することができる。この場合、浮力バルーンは図に表されるような供給開口部を持たず、遮断要素を備えるより小さな供給開口部、流体の炭化水素は電熱装置で加熱される。
【００４０】
本発明のバルーン装置の特定の構成、特に浮力バルーンの形状及びサイズ、ならびにバルーンエンベロープの形状及び構成は、特定の利用条件、特に少なくとも一つの対象物を回収するべき深海、天然温水貯留層の利用可能性、水流条件、及び対象物の質量に応じて当業者が選択可能である。ここで、バルーンは、所定の深さから所定の質量を十分な上昇移動速度で海面へ運搬可能であり、そこで船舶によって回収されるよう構成される。ここで、特に当業者は、例えばインターネットのwww.lsbu.ac.uk/water/phase.htmlにあるデータより公知の技術を示す図１及び図２を参照して、以下のような熱力学的考察に言及することができる。ここで、図１は、水の水圧（ｐ）−温度（Ｔ）の表を示す。図１は、水がそれぞれ固相（「ｓｏｌ」）、気相（「ｖａｐ」）、液相（「ｌｉｑ」）、超臨界相（「ｓｕｐ」）にあるときのｐ−Ｔ条件を示す。図１では、外洋で生じる特性の範囲を破線で囲んでいる。海面では、水圧は０．１ＭＰａであり、１００００ｍの深さでは１００ＭＰａよりやや高い水圧となる。水は、−１℃（外洋の海水）から＋４００℃（水源から）の温度をとることができる。
【００４１】
また、図２は、様々な水圧条件での海水の密度（ρ）−温度（Ｔ）の表を示す。７０００ｍまでの深さの海水では、７０ＭＰａの太線（曲線Ａ）が当てはまる。０．１ＭＰａ、４ＭＰａ、２０ＭＰａの曲線における垂直線は、気相への移行を表す。また、２０００ｍでは、密度も大幅に抑えられる。太平洋と同じ塩分濃度の海水の密度は、０℃で１０５０ｋｇ／ｍ３となる。これも、７０００ｍの深さにおいて、温度が上昇すると抑えられる。７０００ｍの深さにおいて、水温が３００℃の水は密度が８００ｋｇ／ｍ３であり、これは０℃における値の約８０％である。表には、次に述べるように、加熱した海水の浮力により大きな積み荷を海面へ運搬できることを示している。
【００４２】
まず、揚力を生じさせるために深海の温水を用いることができることを示す。これは、まず、温度が高くなると水の密度が低くなることの結果である。ここで、圧条件（０．１ＭＰａ）下だけでなく水圧にも応じた体積−温度依存性における水の反応が検討されることになる（Ｖ−Ｔ−Ｐダイアグラム）。
【００４３】
＋３７４℃よりも高温かつ２２１バールよりも高い水圧では、水は超臨界状態に移行する（図１の「ｓｕｐ」で示された領域）。これは液体状態と蒸気状態との間に差がないことを意味するが、気体がとる密度がその前に液体がとっていた密度と同じであるためである。図１は、今日の知識に基づく深海の自然熱源の温度範囲が、水の超臨界状態領域に突出していることを示している。しかしながら、通例、深海の熱源では１００℃から３００℃の間のより低い温度が生じることもある。４００℃が見られるのは稀なケースであり、このことから、ここで関係のある深海の２〜７ｋｍの範囲及び３５０℃未満の温度では、超臨界条件が生じないことが推測される。
【００４４】
また、水圧が上昇したとしても、加熱された水の膨張は可能であり、それがどの程度の浮力を導くかを示している。そして、密度差は、本発明が提供する運搬能力について推定を可能とする。
【００４５】
図２では、ＭＰａで示す様々な水圧（曲線）での水の密度ρ（縦座標）と温度Ｔ（横座標）を表している。７ｋｍの深さから海面までの深海領域について考えると、水の密度は、６０ＭＰａの曲線のすぐ上に位置する曲線Ａ（太線で示す）に沿ったものとなる。＋３５０℃未満の温度に限定するならば、深海においても、加熱された水は０℃から２０℃の温度の水よりもかなり大きな体積をとることがわかる。これは４００ＭＰを超える水圧においては当てはまらないが、この水圧は４０ｋｍという非現実的な深さにしか該当しない。よって、引き上げに決定的となるのは、周囲と比較したときの温度差である。例えば３０００ｍの深さと３００℃の水温では、温水の密度は約２０％減少する。図２において、引き上げに用いられる領域を斜線で示す三角で示している。
【００４６】
本発明で用いられる半径５ｍの浮力バルーンの場合、温水の体積が約５２３ｍ３という推定が導かれる。密度が２０パーセント減少すると（＋３００℃未満の水温に対応する）、およそ１０５ｍ３の冷水の体積が置き換えられる。このようにして、置き換えられた一桁から二桁トンの水の体積に応じた引き上げが続いて行われる。
【００４７】
上昇中は水圧が減少するため、図２に示す適当な曲線は、２４ＭＰａ以下の水圧において、密度の大幅低減が記録され得ることを示す。図２に示す垂直方向に下落する線は、この水圧で液体状の水が突然に気体状態へ移行し、体積が突然に非常に大きくなることを示す。例えば、浮力バルーン内の水の温度がまだ２５０℃よりも高いならば、４ＭＰａで（すなわち４００ｍの深さで）、水が突然に気体になって８００倍の体積をとる。
【００４８】
この作用は、一方で、システムの引き上げを高めるために用いることができるが、生じた気体の一部を発散させるための技術的手段が必要となる。他方では、浮力バルーンのスキンの構成により気体の形成を防止することができる。後者は、浮力バルーンのスキンが熱的に完全に絶縁されておらず、海面へのコース上で沸点を超えることのない程度に冷却されるように構成される場合に可能である。これら二つの変形例を以下に説明する。
【００４９】
上昇移動中、案内されていない浮力バルーンは垂直に海面方向に向かうが、水流の影響によって、また強い引き上げで揺らぐ場合には、漂流することがある。海面に到着すると、浮力バルーンは海面に浮かび続け、そこで、浮力バルーン内の水がさらに冷却される結果として、揚力が積み荷が取り付けられた浮力バルーンの重量と釣り合い、その後その重量よりも小さくなって、荷物が取り付けられた浮力バルーンが再び深海に沈む前に、検知される（例えば、染料や信号などによって視認可能になる）。荷物の海面への安全な運搬と安全な回収を可能とするためにシステムが内部体積の熱を維持しなければならない期間は、以下のように推定される。
【００５０】
上昇移動の引き上げ率を毎秒０．５ｍとし、６０００ｍの深さにあるとした場合、浮上プロセスは１２０００秒＝２００分かかる。浮力バルーンの回収のために少なくとも３０分必要だとすると、システム全体の正味浮力を回収の時点まで継続維持するよう浮力バルーンの内部を十分に高い温度に維持する必要がある期間として、２３０分が続く。
【００５１】
慣性上昇の代替的な変形例では、海底の開始地点と船舶との間の接続（以下の説明及び図８を参照）を確立する案内ケーブルに沿って浮力バルーンを上方に引き上げることができる。深海の底への運搬は、第２ケーブルで行われてもよい。
【００５２】
図３において、底２から海面へ積み荷を運搬する本発明のバルーン装置１００の準備のフェーズが模式的に図示されている。バルーン装置１００は、浮力バルーン１０と、あとで詳細に説明する保持装置２０とを備える。
【００５３】
まず、バルーン装置１００が船舶から海中へ降ろされるが（図７及び図８も参照）、ここでは浮力バルーン１０は折り畳み状態となっている。図３Ａにおいて、折り畳み状態での浮力バルーン１０の降下移動が模式的に図示されている。浮力バルーン１０は、バラスト体１３と、浮力体１５と、複数の案内体１６とに接続される。バラスト体１３は例えば質量５０ｋｇのけん引重りであり、浮力バルーン１０から取り外し可能である。バラスト体１３の質量と形状は、降下移動中は前端すなわち重力方向（矢印参照）のバルーン装置１００の下端に位置するよう選択される。案内体１６は、バルーン装置１００の反対側の端部に配置される。
【００５４】
浮力体１５の質量密度は、水よりも小さい。浮力体１５は、例えば、樹脂に埋め込まれた、圧力抵抗性のある少なくとも一つの中空のガラス球を含む。浮力体１５は、浮力バルーンの空の状態のバルーンエンベロープ１１を支持することができるような寸法となっている。バラスト体１３は、ケーブルを介して浮力体１５に接続される。
【００５５】
案内体１６は、例えば円盤形状などの平面形状を有し、これにより、降下移動中、浮力バルーン１０が後方すなわち上方に向ってピンと張った状態になる。案内体１６は水よりも重く、その形状とケーブル１７が取り付けられることにより、水流抵抗を形成する。ケーブル１７は、保持装置の複数の保持リング２２を介して浮力バルーン１０に接続される。保持リング２２は、浮力バルーン１０の供給開口部１２の端部に沿って分散して配置される。引き上げる対象物が連結可能な保持ケーブル２１が保持リング２２を通る。
【００５６】
また、バルーン装置１００には、例えば音響波及び／又は電磁波により通信可能に構成された信号装置（不図示）を取り付けることができる。信号装置は、例えば、音響信号又は光信号を出力することができ、この信号によって降下移動中及び／又は海底２におけるバルーン装置１００の位置の特定が可能となる。
【００５７】
図３Ｂは、バラスト体１３が海底２に到着したときの状態を示す図である。浮力バルーン１０は、バルーンエンベロープ１１の供給開口部１２が海底２に面するように位置決めされる。これは、案内体１６がもはや降下移動中の水流によって後方に流されることがなく、海底２に向って沈むという事実により実現される。これにより、バルーンエンベロープ１１は反転する（裏返しになる）。降下移動中のバルーンエンベロープ１１の外面が、バルーン装置１００の位置決め及びその後のステップにおけるバルーンエンベロープ１１の内面となる。バルーンエンベロープ１１はバラスト体１３にかぶさり、保持ケーブル２１に接続された案内体１６と運搬リング２３は海底２に沈む。
【００５８】
そして、バラスト体１３は浮力体１５から分離される。分離は、例えば、遠隔制御の解放機構によって、又は自動的にケーブルにかかるバラスト体１３と浮力体１５との間の引張荷重に応じて行われる。その結果、図３Ｃに示すように、浮力体１５は、バルーンエンベロープ１１が垂直方向にピンと張るものの図３Ａと比較すると反転した状態になるまで、上に向って移動する。バルーンエンベロープ１１は、浮力体１５によって支持される。案内体１６及び運搬リング２３の作用により、バルーン装置１００は海底２に位置決めされた状態で維持される。バルーンエンベロープ１１が反転した結果、案内体１６は、海底２に面する浮力バルーン１０の面の供給開口部１２が広がるように、互いに離間して閉鎖曲線状、特に略輪状線に配置される。
【００５９】
図４は、対象物１のバルーン装置１００への連結と、浮力バルーン１０への温水３の充填を示す図である。図４Ａは、図３Ｃに示す状態に対応し、対象物１も図示している。対象物１は、例えば、運搬リング２３に接続され、マンガン団塊が入った容器を含む。この容器は、例えば、運搬リング２３に吊り下げられる。対象物が１つ示されている本図から離れ、複数の対象物、例えば、マンガン団塊が入った複数の容器を運搬リング２３又はほかの運搬リング（不図示）に吊り下げてもよい。
【００６０】
対象物１を浮力バルーン１０に連結した後、供給開口部１２を介して、海中水源４からの温水が浮力バルーン１０の内部に充填される。図４Ｂに、この充填プロセスを模式的に示す。通常、降下移動後のバルーン装置１００の位置決め及び浮力バルーンの反転（図３）は、水源４の真上では行われない。しかしながら、温水３を水源４から引き出して接続ラインを通じて浮力バルーン１０に送るために、海底で自律的に動作するロボットシステムを用いることもできる。
【００６１】
温水が水源４から浮力バルーン１０に供給される間、以前に浮力バルーン１０に入っていた冷たい海水を含む内容物が少しずつ周囲に分散され、バルーンエンベロープが完全に展開する。バルーン内の温水３によって追加の揚力が生じるとすぐに、バルーンエンベロープ１１及び保持ケーブル２１が張力を受けるよう浮力バルーン１０は初期引き上げ移動を行う。保持ケーブル２１が供給開口部１２の周辺端部の保持リング２２を通っているため、保持ケーブル２１がピンと張った結果、保持リング２２が一緒に引っ張られ、供給開口部１２が閉鎖する。対象物１の重量を受けて、浮力バルーン１０の内部と周囲の間で物質交換が全く又はほんのわずかしか行われないよう、供給開口部１２は閉鎖する。
【００６２】
引き上げ開始少し前の浮力バルーン１０の状態を図５に示す。ここでは、運搬リング２３に複数の対象物１が取り付けられている。浮力バルーン１０には、例えば、２００℃から３５０℃の範囲の温度の水３が充填されており、周囲の海水の温度は約０℃である。したがって、水３の密度は周囲の海水の密度よりも低く、所望の揚力を生じさせることができる。バルーン装置１００の初期引き上げ移動の後、図５に示す追加された対象物１が運搬リング２３に吊り下げられる。
【００６３】
図６及び図７において、浮力バルーン１０を有するバルーン装置１００の上昇移動及び海面６での船舶４０による回収というその後のフェーズを模式的に示す。図７の図は縮尺通りではないことを強調しておく。現実の深海において、バルーン装置１００の垂直方向の大きさ（例えば、５ｍ〜５０ｍ）は、海の深さ、例えば４０００ｍに比べてずっと小さいものである。
【００６４】
図６は、対象物１を吊り下げたバルーン装置１００の、引き上げ開始の瞬間を示す図である。対象物１の作用により、保持ケーブル２１によって供給開口部１２は完全に閉鎖され、対流を受けての冷却を防止している。上昇移動は、重力の方向とは反対の方向である海面へ向けて行われる（矢印参照）。図７を参照すると、バルーン装置１００が海面６に達したときに最初に視認可能なのは、浮力バルーン１０の上面である。バルーンエンベロープへのマーキング（例えば、着色）及び／又は音響信号及び／又は電磁信号により、船舶４０はバルーン装置１００を見つけることができる。例えば船舶４０に搭載したクレーンなどの取込装置４１を用いて、対象物１を有するバルーン装置１００を船舶に載せる。
【００６５】
図８は、原料回収のための一つ又は複数のバルーン装置１００を用いる本発明の方法を繰り返し実行する様子を説明する図である。また、図８は、降下移動中及び／又は上昇移動中、バルーン装置１００が連結された、２本のガイドケーブル３１，３２を有する案内装置３０を示す。詳細には、バルーン装置１００は、まず、船舶４０から海中へ降ろされる。図３Ａに示すように、バルーン装置１００は降下移動を行い、この間、バラスト体１３及び案内体１６の作用により浮力バルーン１０が折り畳まれて方向づけられている。降下移動中、バルーン装置１００は、例えばケーブルを介して、第１ガイドケーブル３１に連結されている。第１ガイドケーブル３１は、船舶４０と海底２の固定位置との間の張力によって保持される。海底２に達すると、上述したバルーンエンベロープの反転と浮力バルーン１０の水源４への位置決めが行われる。このため、バルーン装置１００を第１ガイドケーブル３１の下部係留ポイントから移動させることができる。これを実現するために、例えば自律型ロボットシステム又は潜水器具が海底２で用いられる。浮力バルーン１０に周囲の海水よりも高温の水を充填し、複数の対象物１を浮力バルーン１０に連結した後、船舶４０に向けての上昇移動が行われる。このため、バルーン装置１００は、案内装置３０の第２ガイドケーブル３２に連結される。第２ガイドケーブル３２は、船舶４０と別の位置との間の張力によって保持される。２本のガイドケーブル３１，３２の使用と図示された形状により、効率的で周期的なプロセスの実行が単純化され、一つ又は複数のバルーン装置１００の降下移動と同時に、対象物１が吊り下げられた一つ又は複数のバルーン装置１００の上昇移動を行うことができる。
【００６６】
図９は、バルーンエンベロープ１１の構成をさらに詳細に示す。図９Ａは、バルーンエンベロープ１１の断面斜視図である。バルーンエンベロープ１１は、以下のように構成される層状の複合体を含む。バルーン装置の引き上げフェーズにおいて浮力バルーンの内部に面し、また高温の水に隣接するバルーンエンベロープ１１の内面１１．１には、まず熱反射層１１．２が配置される。これは、例えば、アルミ箔などの赤外線放射反射金属箔を含んでもよい。これに隣接して、バルーンエンベロープ１１のそのほかの層よりも熱伝導率が低い障壁層１１．３が配置される。障壁層１１．３は、例えば、テトラフルオロエチレン及び全フッ素化共成分の共重合体から形成される平坦な膜、又はテトラフルオロエチレン及びヘキサフルオロプロピレンの共重合体から形成される平坦な膜などのプラスチックを含む。最後に、浮力バルーンの引き上げフェーズ中の状態におけるバルーンエンベロープ１１の外面となる外部スキン１１．４が障壁層１１．３上に配置される。外部スキン１１．４は、例えば、織布、プラスチック網、耐海水ゴムコーティングに金属を埋め込んだもの、又はポリマーなどの耐久性のある材料で製造され、任意で複数の補強要素１１．６が装着される。補強要素１１．６は、例えば外部スキン１１．４と一体化された複数のリブを含み、これらはバルーンエンベロープ１１の外面１１．５を示す図９Ｂでより詳細に示す。
【００６７】
通常、障壁層１１．３の厚みと材料は、海底２から海面への上昇移動中、規定の温度低下が起こり、水蒸気の発生が防止されるよう、選択される。また、十分に効果的な熱絶縁によって、本発明の方法は、海面付近又は浮上の際、浮力バルーン内の水が十分に熱いままであり、水圧の減少を受けて直接的に蒸気状態に移行するよう、行うことができる。この状態を、図１０に模式的に示す。水蒸気の発生により、浮力バルーン１０の密度は突然に減少し、同時に体積が大きく増加する。バルーンエンベロープ１１の破裂を防止するために、水蒸気７が浮力バルーン１０から放出されるよう浮力バルーン１０の供給開口部１２又はそのほかの開口部１２．１が押し開けられる。これが不十分な場合、バルブ装置１４がバルーンエンベロープ１１に組み込まれて、必要に応じてここから水蒸気を周囲に放出してもよい。
【００６８】
高温の水３の供給は、自然水源を用いて行う必要はない。代わりに、浮力バルーン１０内の水３を加熱するために電熱装置５０を設けてもよい。図１１に、本発明の本実施形態を模式的に示す。電熱装置５０は、例えば海面の船舶上にある電源に供給ケーブル５２を介して接続される電気抵抗加熱要素５１を含む。浮力バルーン内の水３を所望の温度まで加熱するために、電力定格の高い電力が接続ライン５２を介して電気抵抗加熱要素５１に送られる。電気抵抗加熱要素５１は、例えば供給開口部１２を通って、浮力バルーン１０内に突出する。供給開口部が設けられていない場合、例えば浮力流体として流体の炭化水素が用いられている場合、電気抵抗加熱要素５１は、バルーンエンベロープの柔軟性のある部分の変形により、浮力バルーン１０内の浮力流体と熱的に接触させられる。所望の温度に達した後、上述のように海面への上昇移動が起こる。
【００６９】
以上、本発明を原料回収の例を参照して説明した。本発明の用途は原料の抽出に限るものではなく、例えば難破船の残骸などその他の積み荷を運搬する際にも用いることができる。
【００７０】
以上の詳細な説明、図面、及び請求の範囲において開示した本発明の特徴は、本発明の各種の構成の実施において、それぞれ独立でも、又は組み合わせても、重要である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2015520070.tif 000015
2015520070.tif 000016
2015520070.tif 000017
2015520070.tif 000018
2015520070.tif 000019
2015520070.tif 000020