背景（ ）背景（１）• 現時点、日本は必要な金属資源のほぼ全量を海外に依存。

＊ＪＯＧＭＥＣの資料より抜粋
ＪＯＧＭＥＣの資料より抜粋

・日本の金属資源主要輸入先（2011年）

背景（２）• 特にレアアースは中国等の少数の資源国に集中しているため、資源の安定供給に問題があり 価格変動が大きい
資源の安定供給に問題があり、価格変動が大きい。

レアアースの埋蔵量（酸化物量）単位：千トン

レアアースの生産量（酸化物量）単位：千トン＊Mineral Commodity Summarles
2009 より抜粋

背景（ ）
背景（３）• 陸上鉱物資源開発は需要増加のために低品位化、奥地化、高地化、困難化して、開発コストが増加、鉱山周辺の環境負荷は増加などの多くの問題がある。
• 海洋鉱物資源の日本の潜在資源量は、海底熱水鉱床は世界第１位、コバルトリッチクラストは世界第２位
世界第１位
バ トリ チクラ トは世界第２位
また、日本の南鳥島にはレアアースを多く含んだ泥が発見された。
が発見された
コスト面、環境面などを考慮して、輸入だけに頼らず、自国供給路線を考え、陸上鉱物採掘から海洋鉱物採掘にシフトしていくべき
ら
鉱物 掘

目的
①環境に優しい②掘削 輸送の効率が良い②掘削・輸送の効率が良い③メンテナンス性を考慮した新たな海洋資源（ベース・レアメタル）採掘法を検討する。
従来
従来のシステム

本研究のシステム

そして、日本が商業的な面においても、自国で資源を採掘できるように検討する。

海底資源の可能性について（１）＊日本がリ ドする海底資源開発より抜粋＊日本がリードする海底資源開発より抜粋

潜在資源量は、海底熱水鉱床は世界第１位、コバルトリッチクラストは世界第２位

海底資源の可能性について（２）＊日本がリードする海底資源開発より抜粋

回収推定額は１８０兆円以上

海底資源の可能性について（３）
１年で３００トン
年
ト揚泥すると・・

７００億/年の収入が見込める
Kato et al., Nature Geoscience (2011)

南鳥島のレアアース堆積物

海底資源について

海底熱水鉱床コバルトリッチクラスト

水深が深 海底から噴出する熱水に含まれる
水深が深いほど、ほど、海底の岩石を皮殻状に覆う、特徴
金属成分が沈殿して出来たもの 厚さ数mm ～10数cmの酸化物
ケーブルのコスト、浚渫コストが高くなり、銅、鉛、亜鉛、金、銀、マンガン、銅、ニッケル、コバルト、総コストが高くなる
含有する金属ゲルマニウムゲルマニウム、白金など
白金など。

マンガン団塊
直径が4～8cmの球場、扁平楕円形の形をした
マンガン酸化物

レアアース堆積物

レアアースを多く含む。
特に重レアアースを多く特に重レアアスを多く含む。

海底にある泥ガリウムなどのレアメタル

メインは、コバルト、ニッケル、白金

マンガン、ニッケル、銅、コバルト
約30種類の金属 メインは 銅約30種類の金属。メインは、銅、ニッケル、亜鉛鉛

分布する水深

500～3000m

1000～2400 m

1000～6000m

5000ｍ～600０m資源がある中心水域

排他的経済水域

排他的経済水域と公海

公海中心

排他的経済水域と公海

写真

全体の採鉱システム
左図は、カナダのNautilus
Minerals社が現在開発を社が現在開発を行っているイメージ図

構成の中身は①ケーブル②フレキシブルパイプ③水中ポンプ④ライザー管⑤採鉱機などがある。

現時点の採掘方法（１）
採鉱機の種類について

・日本製、マンガン団塊を想定した採鉱機

そり滑走式
曳航式
連続バケット式
採鉱機
クローラ式
自走式

脚方式

アルキメデススクリュ式

カナダ製 熱水鉱床を想定した採鉱機
カナダ製、熱水鉱床を想定した採鉱機

現時点の採掘方法（２）
現時点の採掘方法（）• 自走式のクローラー方式①三菱重工業製の採鉱機⇒ＡＬＬ ＩＮ ＯＮＥ型
（採鉱と集鉱が一つの採鉱機）②三井三池製作所の採鉱機⇒採鉱と集鉱が別々の採鉱機

従来の採鉱機の問題点（１）２０１２年、９月と１２月に実際に熱水鉱床（沖縄）にて、２台の採鉱機を稼働させるという実験を行った。
を稼働させるという実験を行った

従来の採鉱機の問題点（２）①反力の問題⇒掘削カッターの反力に対応するために採鉱機自身を大型化する必要がある。将来的は、ダイヤモンド掘削機（約２００トン）のスケールが必要。
②採鉱機の移動の問題⇒海底は軟弱な地盤であり，車輪や履帯の沈下のため移動が困難 大きな轍（わだち）を作困難。大きな轍（わだち）を作って移動するため，大きな移動するため 大きなエネルギーコストを要する。
③環境面の問題⇒掘り起こす際に物質をまき散らすことなどによる周辺環境面の悪化。

従来の採鉱機の問題点（３）④カメラ等によるセンシングの問題⇒掘削する際に相当、砂は舞い上がり、カメラでのセンシングはほぼ不可能。
⑤自動化の問題⇒今はオペレータによるリモコン操縦で採鉱機を稼働させて今はオペタ よるリ操縦 採鉱機を稼働させいるが、将来は自動化したい。
⑥ソナーの問題⇒現在使われているソナーだけを使って採鉱機を思いのままに現在使を使鉱機を操作することは難しいレベルである。掘削前に掘削範囲をスキャン等することで 掘削前に地形デ タを把握してスキャン等することで、掘削前に地形データを把握して、掘削を行いたい。

従来の採鉱機の問題点（４）⑦採鉱機の安定性の問題⇒・マンガン団塊などの軟弱で撹乱を受けると大きな強度低下が起きる
粘土質の深海底堆積層の上では動けないのではないか？
・マウンドの傾斜などや微地形変化が大きい場合に対処出来ないのでないか？
⑧もし、掘削・集鉱機能が一体でない採鉱機や複数の採鉱機を動かす時⇒・機械同士の衝突が発生する
ケ ブルが絡み合う・ケーブルが絡み合う
・ロストする・メンテナンスする数が増えるなどの問題が発生する可能性が増える。

新
新たな採掘方法（１）採掘 法（ ）
フレーム着底式海底鉱床掘削機
ケーブル

水中ポンプ

掘削機械はフレ ム内
掘削機械はフレーム内をレールにて移動移動コストを削減する

ウ ンチ
ウィンチ

フレキシブルホース

ジャッキアップの脚式
脚式
地形の凹凸に対応

カッター

側面および天井はカーテンまたは壁にて被覆
環境負荷を低減する

新たな採掘方法（２）新採掘 法（ ）

カッタ の形状
カッターの形状

横行トロリー

トロリー＊ＣＩＡの資料より抜粋

２つのトロリーを組み合わせることで、①掘削する前にソナー等を使い、地形データを得る。
②掘削範囲に柔軟性を持たせる。

新たな採掘方法（３）船ライザ 管ライザー管
水中ポンプ
フレーム着底式海底鉱床掘削機

フロートを使い、浮力を持たせ、縦移動する。
つまり、水深が深いほり 水深 深
ど、縦移動にそれだけのエネルギーを使う。

スラスタ等を使い、スラスタ等を使いまた船に追随して横移動をする

新たな採掘方法（４）◎新システムの特徴・長所◎①反力の問題への対応⇒フレームが大きな重量を有する、カッタードラムを大きくする 水中ポンプをこのフレーム構造内に入れることなどにする、水中ポンプをこのフレーム構造内に入れることなどによって、ある程度の重さを調整が出来、反力の問題を解決。
②採鉱機の移動の問題への対応⇒トロリーはレール上を移動するため、轍（わだち）等を⇒トロリ
はレ ル上を移動するため、轍（わだち）等を作って移動せず、その分のエネルギーロスがない。特に，レアアース堆積物等の超軟弱地盤で有効だと思われる。
③環境負荷の低減⇒側面および天井はカーテンまたは壁にて被覆するため、掘削面
び 井た 壁覆す た
掘時に砂等が舞い上がることによる拡散を防ぐ効果が高い。

新たな採掘方法（５）④センシングの容易さ⇒トロリーに超音波距離計を取り付けて、スキャナーのように⇒トロリーに超音波距離計を取り付けてスキャナーのようにセンシングすることによって、掘削する前の掘削対象の形状の正確な計測を簡単にすることが可能。そのため、視界悪化正確な計測を簡単にする とが可能。そ ため、視界悪化に影響されず、掘削可能。
⑤自動化への容易さ⑤自動化の容易さ⇒④でも述べた通り掘削前に地形データを把握でき、オペレータの手を借りずオペレタの手を借りず、採掘作業の完全自動化が可能。
採掘作業の完全自動化が可能。
⑥ケーブルの損傷・衝突等の回避⇒掘削カッター部はレールを走行するので、掘削時にケーブルを踏むなどの事故の回避。
また、１台しか動かないため、衝突なども起こらず、メンテナンスの数も減らすことが可能。

従来と新システムの比較（１）
１日あたりの採鉱量を５０００トンと固定すると・・・
履帯式の採鉱機

フレ ム着底式海底鉱床掘削機㋐
フレーム着底式海底鉱床掘削機㋐

フレ ム着底式海底鉱床掘削機㋑
フレーム着底式海底鉱床掘削機㋑

フレ ム着底式海底鉱床掘削機㋒
フレーム着底式海底鉱床掘削機㋒

１８ｍ×１０８ｍ×１０ｍ

３６ｍ×２１６ｍ×１０ｍ

５８５ｔ

１４００ｔ

３．５ｍ/分

１．８ｍ/分

１．４ｍ/分

２４回

８回

２回

１７２ＫＷ

５４０ＫＷ

５４０ＫＷ

チムニーの高さが最大５～６メートルのため鋼材より構成される梁とラーメン構造として重量計算を行った。
主寸法
１日あたり５０００トンという８．５ｍ×４．５ｍ×４．３ｍ １０ｍ×７０ｍ×１０ｍ（Ｌ×Ｗ×Ｈ）
条件下での掘削速さなので、実際はより速い掘削速さで掘削可能
水中重量８０ｔ
１１６ｔ

イメージ図

掘削速さ
３．８ｍ/分
移動回数が少ないほど、人間の手を借りず、フレームの自動化に近づける
自動化に近けるなし
移動回数

掘削用馬力

４００ＫＷ

従来と新システムの比較（２）
新システムの方が履帯式の採鉱機優れている状況下◎１日当たりの総消費電力◎
フレーム 着底式海底鉱床掘削機㋐フレーム 着底式海底鉱床掘削機㋑

フレーム 着底式海底鉱床掘削機㋒

モデル／掘削機

ベヨネーズ(水深８００ｍ）

16800ＫＷｈ

8814ＫＷｈ

18832ＫＷｈ

16897ＫＷｈ

伊是名（ 水深１６５０ｍ）

16800ＫＷｈ

15256ＫＷｈ

29661ＫＷｈ

23376ＫＷｈ

最大の水深（ 水深２０００ｍ）

16800ＫＷｈ

17909ＫＷｈ

34120ＫＷｈ

26044ＫＷｈ◎従来と新システムの１日の稼働コスト（円）◎モデル／掘削機

ベヨネーズ

伊是名
最大水深

履帯式の採鉱機

新たな掘削機案㋐

新たな掘削機案㋑

新たな掘削機案㋒

従来と新システムの¥379,792¥199,276
１日の稼働コストの差がもっとも大きい時で¥379¥379,792792¥344 905¥344,905
差は約４０万円/日¥425,729¥382,002¥670 536¥670,536¥528 469¥528,469¥379,792¥771,339¥588,778¥404,870

従来と新システムの比較（３）◎考察◎
水深が深くなればなるほど、新システムは総消費電力において、不利。
⇒・鉄鋼ではない材質に変え、総重量を軽くするべき。
・新システムの掘削速さを速くすることで、採鉱量自体を増やし より収入を増やす増やし、より収入を増やす。

従来と新システムの比較（４）
採鉱量を増やすには２つのパターンが考えられる。
まず、掘削速さを履帯式と同じまで上げて・・・
パターン①

掘削機の移動回数を増やさず、同じ経路を２回通ることで、掘削深さをさらに深くする＊適用するのは、海底熱水鉱床のようなマウンドの全体が資源の場合履帯式と同等履帯式と同等のコストでト採鉱量は５０００トン増加する
最大で２倍の掘削性能を
パターン②持 ことが分かる
持つことが分かる
掘削機の移動回数も増やして、掘削範囲を広げて、採鉱量を増やす＊適用するのはコバルトリッチクラストのように薄い層だけに資源の場合採鉱量は２５００トン増加する

新システム案㋑で掘削速さを１．８ｍ/分３．６ｍ/分にしたとき・・・まとめと今後の課題
・新システムの特定のケースにおける総消費電力の有用性
新システムの特定のケ スにおける総消費電力の有用性が示せた。
また 新システムならではの長所
また、新システムならではの長所、掘削速さ・重量を再検討することで、新システムは、海底資源採掘の方法の一つとして、検討する余地が十分にあると分かった。
・実際の海底データと照らし合わせ、シミュレーションする
実際の海底デ タと照らし合わせ シミ レ シ ンすることで、新システムの大きさ等の再検討。
・レアアース堆積物においても，この新システムが適用することが可能であるかの検討。

ご清聴ありがとうございました

強度計算など◎フレーム着底式海底鉱床掘削機の重量計算について

図のように①と②に分けて、計算を行っていく。①はカッタードラムを支え
図のように①と②に分けて計算を行っていく ①はカッタードラムを支えるための鋼材の重量、②は、掘削機全体を支える鋼材の重量の計算である。

・①の計算について①に関しては、両端単純支持の梁だと考える。Ⓐは、カッタードラムを支えるための集中荷重である。Ⓑは、①の鋼材自身（浮力を考慮）の分布荷重である。鋼
伏計算 行の降伏応力を２５０ＭＰａとし、安全率を１．６として計算を行った。

・②の計算に関して②に関しては、ラーメン構造だと考える。また、②の鋼材は、①の鋼材つまりカッタ ドラムが②の鋼材上にある時に 番強度が厳しくなるので その場合において強タードラムが②の鋼材上にある時に一番強度が厳しくなるので、その場合において強度計算を行う。Ⓒは、カッタードラムを支えるための集中荷重である。Ⓓは、①の鋼材自身（浮力を考慮）の分布荷重である。Ⓔは、②の鋼材自身（浮力を考慮）の分布荷重である Ⓕは ⒸとⒹの総荷重と②の鋼材自身（浮力を考慮せず）の総荷重を足荷重である。Ⓕは、ⒸとⒹの総荷重と②の鋼材自身（浮力を考慮せず）の総荷重を足し合わせ、かける０．１をした分布荷重である。Ⓖは、ⒸとⒹの総荷重と②の鋼材自身（浮力を考慮せず）の総荷重を足し合わせ、かける０．３をした集中荷重である。
ⒻとⒼに関しては 水中 また地震等の影響を考慮した荷重であるⒻとⒼに関しては、水中、また地震等の影響を考慮した荷重である。
そして、㋐、㋑、㋒に関しては曲げモーメントが最も大きくなる可能性がある部位である。

７０ｍ

１０ｍ
１０ｍ
このように補強材を入れて、正方形の物の組み合わせこのように補強材を入れて正方形の物の組み合わせで構造が成り立っていると想定している。

鉛直集中荷重における材端モーメント・反力・変形

鉛直等分布荷重における材端モ メント 反力 変形
鉛直等分布荷重における材端モーメント・反力・変形

水平集中荷重における材端モーメント・反力・変形◎浮力の仕事の計算について
浮力 仕事 計算

深さ１０ｍごとに水圧は１気圧（１ｋｇｆ/m²）上昇する。
気圧（ｋｇｆ/m²）×断面積（ｍ²）×

進める距離（ｍ）×９．８＝ 仕事（N/m）

各モデルの各掘削機案における１回の移動消費電力（ＫＷｈ）

掘削機案＼モデル

ベヨネーズ

伊是名

最大の水深

㋐
㋑
㋒

253
1,274
3,049

521
2,628
6,288

632
3,185
7,622

新フレーム着底式など

フレーム着底式海底鉱床掘削機の詳細の規格
項目／案

㋐

㋑

㋒

大きさ

１０ｍＬ×７０ｍＷ×１０ｍＨ

１８ｍＬ×１０８ｍＷ×１０ｍＨ

３６ｍＬ×２１６ｍＷ×１０ｍＨ

水中重量

１１６ｔ

５８５ｔ

１４００ｔ

１タームの稼働時間

１時間

３時間

１２時間

（ タ ム 掘削時間）（1タームの掘削時間）

分
４０分

２時間
時間

１０時間時間（１タームの移動時間）

２０分

１時間２時間1日当たりの移動回数

２４回

８回

２回

カッタードラムの個数

１つ１つ１つカッタードラムの横幅

５．２ｍ

８．９ｍ

８．９ｍ

掘削馬力

１７２ＫＷ

５４０ＫＷ

５４０ＫＷ

カッタードラムの重さ

２３ｔ

１２３ｔ

１２３ｔ

掘削速さ

３．５ｍ/分

１．８ｍ/分

１．４ｍ/分

掘削機案㋑
掘削機案㋑におけるパターン②に変更した際の変化
けタ② 変更 た際 変化

掘削時間
移動時間
移動回数

掘削速さが始めの値（1.8m/分）

掘削速さを速くした時の値(3.6m/分）

16時間
8時間
時間
8回

12時間
時間
12時間
12回増加した
移動回数

4回減少した
掘削時間

4時間

増加する
採掘量

2500トン

掘削機案㋒におけるパターン②に変更した際の変化

掘削時間
移動時間
移動回数

掘削速さが始めの値（1.4m/分）

掘削速さを速くした時の値(3.5m/分）

20時間
時間
4時間
2回

16時間
時間
8時間
4回

増加した
移動回数

2回減少した
掘削時間

4時間

増加する
採掘量

5000トン