2025 年人們將嘗試在這個(gè)水下棲息地生活

人類在海洋中居住的未來正在威爾士和英格蘭邊境的一個(gè)廢棄采石場(chǎng)中形成。在那里，海洋勘探組織 Deep 開始了一項(xiàng)為期多年的探索，使科學(xué)家能夠在深達(dá) 200 米的海底生活數(shù)周、數(shù)月甚至數(shù)年。

“圣克羅伊島的 Aquarius Reef Base 是 1987 年安裝的最后一個(gè)棲息地，大約 40 年來沒有太多破土動(dòng)工，”Deep 人類潛水員表演負(fù)責(zé)人 Kirk Krack 說?！拔覀冋谂⒑Ｑ罂茖W(xué)和工程帶入 21 世紀(jì)。”

Deep 的議程今年有一個(gè)重要的里程碑——開發(fā)和測(cè)試一個(gè)名為 Vanguard 的小型模塊化棲息地。這個(gè)可移動(dòng)的加壓水下避難所能夠容納多達(dá)三名潛水員，為期一周左右，將成為通往更永久的模塊化棲息地系統(tǒng)（稱為 Sentinel）的墊腳石，該系統(tǒng)將于 2027 年推出。“到 2030 年，我們希望看到人類在海洋中永久存在，”克拉克說?，F(xiàn)在，由于先進(jìn)的 3D 打印-焊接方法可以打印這些大型居住結(jié)構(gòu)，所有這些都成為可能。

這樣的存在將如何有利于海洋科學(xué)？Krack 為我計(jì)算了一下數(shù)字：“目前在 150 到 200 米的潛水中，你只能完成 10 分鐘的工作，然后是 6 小時(shí)的減壓。借助我們的水下棲息地，我們將能夠在 30 天內(nèi)以更短的減壓時(shí)間完成 7 年的工作。超過 90% 的海洋生物多樣性生活在 200 米深的海岸線上，而我們只了解其中的 20% 左右。他補(bǔ)充說，了解這些海底生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境是解決氣候難題的關(guān)鍵部分：海洋吸收了近四分之一的人為二氧化碳和大約 90% 的人類活動(dòng)產(chǎn)生的多余熱量。

水下生物今年獲得批準(zhǔn)

Deep 正在尋求建造一個(gè)水下生命支持基礎(chǔ)設(shè)施，該基礎(chǔ)設(shè)施不僅具有模塊化棲息地，而且還為將要使用它們的科學(xué)家提供培訓(xùn)計(jì)劃。長期在水下居住涉及一種稱為飽和潛水的特殊類型的活動(dòng)，之所以這樣命名，是因?yàn)闈撍畣T的組織被氮?dú)饣蚝獾葰怏w飽和。它已經(jīng)在海上石油和天然氣領(lǐng)域使用了幾十年，但在科學(xué)潛水中并不常見，除了相對(duì)少數(shù)有幸在水瓶座待過的研究人員之外。Deep 希望使其成為海底研究人員的標(biāo)準(zhǔn)做法。

該階梯的第一級(jí)是 Vanguard，這是一個(gè)可快速部署的探險(xiǎn)式水下棲息地，大小與集裝箱相同，可以由船只運(yùn)輸和補(bǔ)給，可容納三個(gè)人，深達(dá)約 100 米。它將于 2025 年第一季度在威爾士切普斯托郊外的一個(gè)采石場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。

這里在插畫師的渲染圖中看到的 Vanguard 棲息地將足夠小，可以運(yùn)輸，但能夠在最大 100 米的深度容納三個(gè)人。

該計(jì)劃是能夠在一周左右的時(shí)間將 Vanguard 部署到任何需要的地方。潛水員將能夠在海底工作數(shù)小時(shí)，然后回到模塊中用餐和休息。

Vanguard 的新穎之處之一是它在權(quán)力方面非凡的靈活性。目前有三種選擇：當(dāng)部署在靠近海岸時(shí)，它可以通過電纜連接到使用當(dāng)?shù)乜稍偕茉吹年懮吓渌椭行摹Ｔ诟h(yuǎn)的海上，它可以使用來自浮動(dòng)可再生能源農(nóng)場(chǎng)和燃料電池的供應(yīng)，這些燃料電池將通過臍帶連接為 Vanguard 供電，或者可以由包含多個(gè)電池的水下儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，這些電池可以通過海底電纜進(jìn)行充電、回收和重新部署。

呼吸氣體將儲(chǔ)存在海床的外部罐中，并包含氧氣和氦氣的混合物，具體取決于深度。在緊急情況下，飽和潛水員將無法游到水面，而不會(huì)患上危及生命的減壓病。因此，Vanguard 以及未來的 Sentinel 也將擁有足以在海底相鄰的外部吊艙中提供 96 小時(shí)生命支持的備用電源。

今年從 Vanguard 收集的數(shù)據(jù)將有助于為 Sentinel 鋪平道路，它將由不同大小和功能的 Pod 組成。這些 Pod 甚至可以設(shè)置為不同的內(nèi)部壓力，以便不同的部分可以執(zhí)行不同的功能。例如，實(shí)驗(yàn)室可以在當(dāng)?shù)販y(cè)深壓力下分析自然環(huán)境中的樣本，但除此之外，還可以設(shè)置一個(gè) 1 個(gè)大氣壓的腔室，潛水器可以在其中停靠，游客可以觀察棲息地，而無需平衡當(dāng)?shù)貕毫Α?/p>

在 Deep 看來，典型的配置是容納 6 人，每個(gè)人都有自己的臥室和浴室。它還將擁有一套科學(xué)設(shè)備，包括用于進(jìn)行基因分析的全濕實(shí)驗(yàn)室，無需將樣本運(yùn)送到上部實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，從而節(jié)省了數(shù)天時(shí)間。

“到 2030 年，我們希望看到人類永久存在于海洋中，”該項(xiàng)目的一位負(fù)責(zé)人說

Sentinel 配置設(shè)計(jì)為在需要重新補(bǔ)給之前使用一個(gè)月。氣體將通過水面浮標(biāo)的臍帶連接進(jìn)行加注，食物、水和其他補(bǔ)給品將在每 28 天計(jì)劃的船員換班期間進(jìn)行一次。

但人們將能夠在 Sentinel 中生活數(shù)月，甚至數(shù)年。“一旦你飽和了，你在那里呆 6 天還是 6 年都沒關(guān)系，但由于船員換班，大多數(shù)人會(huì)在那里呆 28 天，”克拉克說。

3D 打印和焊接的交匯點(diǎn)

這是一個(gè)非常雄心勃勃的愿景，Deep 得出結(jié)論，只有通過先進(jìn)的制造技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。Deep 的制造部門 Deep Manufacturing Labs （DML） 提出了一種創(chuàng)新方法來構(gòu)建棲息地模塊的壓力殼。它使用機(jī)器人將金屬增材制造與焊接相結(jié)合，這一過程稱為電弧增材制造。使用這些機(jī)器人，可以像 3D 打印一樣構(gòu)建金屬層，但這些層通過使用金屬惰性氣體焊炬焊接在一起。

在 Deep 位于英格蘭蒂德納姆 （Tidenham） 的一個(gè)前采石場(chǎng)的運(yùn)營基地，資源包括兩艘 Triton 3300/3 MK II 潛艇。其中一只出現(xiàn)在 Deep 采石場(chǎng)的浮動(dòng)“島嶼”碼頭。

在參觀 DML 期間，先進(jìn)制造工程負(fù)責(zé)人 Harry Thompson 說：“我們位于焊接和增材制造工藝之間的灰色地帶，因此我們遵循焊接規(guī)則，但對(duì)于壓力容器，我們 [也] 遵循適用于增材制造組件的應(yīng)力消除流程。我們還通過無損檢測(cè)對(duì)所有部件進(jìn)行測(cè)試。

每個(gè)機(jī)器人手臂的工作范圍為 2.8 x 3.2 米，但 DML 通過一個(gè)名為 Hexbot 的概念來提升這一區(qū)域。它基于六個(gè)機(jī)械臂，這些機(jī)械臂經(jīng)過編程，可以協(xié)同工作，以創(chuàng)建直徑達(dá) 6.1 米的棲息地外殼。創(chuàng)建船體的最大挑戰(zhàn)是在增材制造過程中管理熱量，以防止零件在制造過程中變形。為此，DML 依賴于耐熱鋼的使用和非常精確優(yōu)化的工藝參數(shù)。

長期居住的工程挑戰(zhàn)

除了制造業(yè)之外，在水下 200 米處保持人們的快樂和活力這項(xiàng)棘手的工作還面臨著其他獨(dú)特的挑戰(zhàn)。其中最迷人的之一圍繞著氦氣。由于其在高壓下的麻醉作用，人類不應(yīng)在約 60 米以下的深度吸入氮?dú)?。因此，?200 米處，棲息地中的呼吸混合物將為 2% 的氧氣和 98% 的氦氣。但是，由于氦氣的導(dǎo)熱性非常高，“我們需要將氦氣加熱到 31-32 °C，才能獲得正常的 21-22 °C 內(nèi)部溫度環(huán)境，”Deep 工程總監(jiān) Rick Goddard 說?！斑@會(huì)產(chǎn)生潮濕的空氣，因此多孔材料成為霉菌的滋生地”。

此外，還存在許多其他與材料相關(guān)的挑戰(zhàn)。這些材料不能排放氣體，并且必須隔音、重量輕，并且在高壓下結(jié)構(gòu)合理。

Deep 的試驗(yàn)場(chǎng)是英格蘭蒂德納姆的一個(gè)前采石場(chǎng)，最大深度為 80 米。 

此外，還存在許多電氣挑戰(zhàn)?！昂饪梢愿叨瓤隙ǖ仄茐哪承╇娮釉盙oddard 說?！拔覀儾坏貌粚⒃O(shè)備拆成碎片，更換芯片，更換 [印刷電路板]，甚至設(shè)計(jì)我們自己的不會(huì)排放氣體的 PCB?！?/p>

電力系統(tǒng)還必須適應(yīng)各種能源組合，例如漂浮式太陽能發(fā)電廠和水面浮標(biāo)上的燃料電池。儲(chǔ)能設(shè)備帶來了重大的電氣工程挑戰(zhàn)：氦氣會(huì)滲入電容器，并在減壓過程中試圖逸出時(shí)破壞電容器。電池在高壓下也會(huì)出現(xiàn)問題，因此它們必須被安置在棲息地外的 1 個(gè)大氣壓容器或充滿油的塊中，以防止內(nèi)部出現(xiàn)壓差。

有可能在海洋中生活數(shù)月或數(shù)年嗎？

當(dāng)你試圖成為海洋界的 SpaceX 時(shí)，自然會(huì)質(zhì)疑這種雄心壯志的可行性。Deep 能夠堅(jiān)持下去的可能性有多大？至少有一位頂級(jí)權(quán)威約翰·克拉克 （John Clarke） 是信徒。“我對(duì)應(yīng)用于手頭問題的工程方法和專業(yè)知識(shí)的質(zhì)量感到震驚，我對(duì) DEEP 如何應(yīng)用新技術(shù)充滿熱情，”美國海軍實(shí)驗(yàn)潛水部隊(duì)的首席科學(xué)家克拉克說。“他們的進(jìn)步遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期......我很高興支持 Deep 尋求擴(kuò)大人類對(duì)海洋的擁抱。