2025 年人們將嘗試在這個(gè)水下棲息地生活

人類(lèi)在海洋中居住的未來(lái)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(kāi)始了一項為期多年的探索，使科學(xué)家能夠在深達 200 米的海底生活數周、數月甚至數年。

“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(lái)沒(méi)有太多破土動(dòng)工，”Deep 人類(lèi)潛水員表演負責人 Kirk Krack 說(shuō)?！拔覀冋谂⒑Ｑ罂茖W(xué)和工程帶入 21 世紀?！?/p>

Deep 的議程今年有一個(gè)重要的里程碑——開(kāi)發(fā)和測試一個(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（稱(chēng)為 Sentinel）的墊腳石，該系統將于 2027 年推出?！暗?2030 年，我們希望看到人類(lèi)在海洋中永久存在，”克拉克說(shuō)?，F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構，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 為我計算了一下數字：“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 天內以更短的減壓時(shí)間完成 7 年的工作。超過(guò) 90% 的海洋生物多樣性生活在 200 米深的海岸線(xiàn)上，而我們只了解其中的 20% 左右。他補充說(shuō)，了解這些海底生態(tài)系統和環(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(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的多余熱量。

水下生物今年獲得批準

Deep 正在尋求建造一個(gè)水下生命支持基礎設施，該基礎設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)家提供培訓計劃。長(cháng)期在水下居住涉及一種稱(chēng)為飽和潛水的特殊類(lèi)型的活動(dòng)，之所以這樣命名，是因為潛水員的組織被氮氣或氦氣等氣體飽和。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(jiàn)，除了相對少數有幸在水瓶座待過(guò)的研究人員之外。Deep 希望使其成為海底研究人員的標準做法。

該階梯的第一級是 Vanguard，這是一個(gè)可快速部署的探險式水下棲息地，大小與集裝箱相同，可以由船只運輸和補給，可容納三個(gè)人，深達約 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)行測試。

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

該計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力方面非凡的靈活性。目前有三種選擇：當部署在靠近海岸時(shí)，它可以通過(guò)電纜連接到使用當地可再生能源的陸上配送中心。在更遠的海上，它可以使用來(lái)自浮動(dòng)可再生能源農場(chǎng)和燃料電池的供應，這些燃料電池將通過(guò)臍帶連接為 Vanguard 供電，或者可以由包含多個(gè)電池的水下儲能系統供電，這些電池可以通過(guò)海底電纜進(jìn)行充電、回收和重新部署。

呼吸氣體將儲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(wú)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(lái)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 收集的數據將有助于為 Sentinel 鋪平道路，它將由不同大小和功能的 Pod 組成。這些 Pod 甚至可以設置為不同的內部壓力，以便不同的部分可以執行不同的功能。例如，實(shí)驗室可以在當地測深壓力下分析自然環(huán)境中的樣本，但除此之外，還可以設置一個(gè) 1 個(gè)大氣壓的腔室，潛水器可以在其中?？?，游客可以觀(guān)察棲息地，而無(wú)需平衡當地壓力。

在 Deep 看來(lái)，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)設備，包括用于進(jìn)行基因分析的全濕實(shí)驗室，無(wú)需將樣本運送到上部實(shí)驗室進(jìn)行分析，從而節省了數天時(shí)間。

“到 2030 年，我們希望看到人類(lèi)永久存在于海洋中，”該項目的一位負責人說(shuō)

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

但人們將能夠在 Sentinel 中生活數月，甚至數年?！耙坏┠泔柡土?，你在那里呆 6 天還是 6 年都沒(méi)關(guān)系，但由于船員換班，大多數人會(huì )在那里呆 28 天，”克拉克說(shuō)。

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 得出結論，只有通過(guò)先進(jìn)的制造技術(shù)才能實(shí)現。Deep 的制造部門(mén) Deep Manufacturing Labs （DML） 提出了一種創(chuàng )新方法來(lái)構建棲息地模塊的壓力殼。它使用機器人將金屬增材制造與焊接相結合，這一過(guò)程稱(chēng)為電弧增材制造。使用這些機器人，可以像 3D 打印一樣構建金屬層，但這些層通過(guò)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)的運營(yíng)基地，資源包括兩艘 Triton 3300/3 MK II 潛艇。其中一只出現在 Deep 采石場(chǎng)的浮動(dòng)“島嶼”碼頭。

在參觀(guān) DML 期間，先進(jìn)制造工程負責人 Harry Thompson 說(shuō)：“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則，但對于壓力容器，我們 [也] 遵循適用于增材制造組件的應力消除流程。我們還通過(guò)無(wú)損檢測對所有部件進(jìn)行測試。

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

長(cháng)期居住的工程挑戰

除了制造業(yè)之外，在水下 200 米處保持人們的快樂(lè )和活力這項棘手的工作還面臨著(zhù)其他獨特的挑戰。其中最迷人的之一圍繞著(zhù)氦氣。由于其在高壓下的麻醉作用，人類(lèi)不應在約 60 米以下的深度吸入氮氣。因此，在 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 內部溫度環(huán)境，”Deep 工程總監 Rick Goddard 說(shuō)?！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。這些材料不能排放氣體，并且必須隔音、重量輕，并且在高壓下結構合理。

Deep 的試驗場(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?！昂饪梢愿叨瓤隙ǖ仄茐哪承╇娮釉?，”Goddard 說(shuō)?！拔覀儾坏貌粚⒃O備拆成碎片，更換芯片，更換 [印刷電路板]，甚至設計我們自己的不會(huì )排放氣體的 PCB?！?/p>

電力系統還必須適應各種能源組合，例如漂浮式太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)和水面浮標上的燃料電池。儲能設備帶來(lái)了重大的電氣工程挑戰：氦氣會(huì )滲入電容器，并在減壓過(guò)程中試圖逸出時(shí)破壞電容器。電池在高壓下也會(huì )出現問(wèn)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(mǎn)油的塊中，以防止內部出現壓差。

有可能在海洋中生活數月或數年嗎？

當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 能夠堅持下去的可能性有多大？至少有一位頂級權威約翰·克拉克 （John Clarke） 是信徒?！拔覍糜谑诸^問(wèn)題的工程方法和專(zhuān)業(yè)知識的質(zhì)量感到震驚，我對 DEEP 如何應用新技術(shù)充滿(mǎn)熱情，”美國海軍實(shí)驗潛水部隊的首席科學(xué)家克拉克說(shuō)?！八麄兊倪M(jìn)步遠遠超出了預期......我很高興支持 Deep 尋求擴大人類(lèi)對海洋的擁抱。