DE102012011327A1

DE102012011327A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Heben eines Objekts vom Meeresboden

Info

Publication number: DE102012011327A1
Application number: DE102012011327A
Authority: DE
Inventors: Günter R. Fuhr; Heiko Zimmermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-12
Also published as: EP2858891A1; CN104334448A; US20150132099A1; WO2013182292A1; JP2015520070A

Abstract

Ein Verfahren zum Heben eines Objekts (1) vom Meeresboden umfasst die Schritte Koppeln des Objekts (1) mit einem Auftriebsballon (10) und Auftriebsbewegung des Auftriebsballons (10) mit dem Objekt (1), wobei der Auftriebsballon (10) mit einer Auftriebsflüssigkeit, wie z. B. Wasser gefüllt ist, deren Temperatur oberhalb der Temperatur von Meerwasser ist, das den Auftriebsballon (10) umgibt. Es wird auch eine Balloneinrichtung (100) beschrieben, die zum Heben eines Objekts (1) vom Meeresboden konfiguriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heben mindestens eines Objekts vom Meeresboden, insbesondere zum Transport von mineralischen Rohstoffen, wie z. B. Manganknollen oder anderen metallhaltigen Körpern, oder von anderen Lasten, wie z. B. Wracks, vom Meeresboden hin zur Meeresoberfläche. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Heben mindestens eines Objekts vom Meeresboden. Anwendungen der Erfindung sind z. B. beim unterseeischen Abbau von Bodenschätzen oder bei der Bergung von Gegenständen vom Meeresboden gegeben.
In der Tiefsee (Meerestiefe unterhalb von 1000 m, insbesondere unterhalb von 2000 m) befinden sich auf dem Meeresboden mineralische Rohstoffe als Bodenschätze in Lockergesteinen (z. B. Manganknollen, Phosphorit, Mineralseifen). Es ist beispielsweise bekannt, dass in der Tiefsee aufgrund der gegebenen Druck-Temperatur-Bedingungen gelöste Substanzen in Form von Metallkonglomeraten ausfallen. Es bilden sich z. B. Metallknollen oder metallische Oberflächenüberzüge auf Mineralen aus Metallen oder Metallverbindungen, wie z. B. Mangan, Kobalt und anderen Materialien. Meeresböden mit derartigen Belegungen von ausgefällten Metallen oder Metallverbindungen, beispielsweise im Pazifik, bilden Erzlagerstätten von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Die industrielle Bergung mineralischer Rohstoffe aus der Tiefsee stellt eine technische Herausforderung dar, die bisher nur unbefriedigend gelöst ist. Der Versuch, mit Saugrüsseln den Meeresboden in 2000 m bis 7000 m Tiefe abzusaugen und damit z. B. Metallkonglomerate zu bergen, verträgt sich nicht mit dem Schutz der Tiefseebiotope und darüber liegenden Wassermassen. In DE 32 25 728 A1 wird ein Manganknollenabbau mit einem so genannten Gefriergreifer vorgeschlagen, der jedoch für die praktische Verwendung die Tiefsee nur beschränkt geeignet ist und nicht das Heben der Manganknollen zur Meeresoberfläche erlaubt.
In der Praxis wird die Erfüllung der folgenden Bedingungen für eine Ausbeutung von unterseeischen Rohstofflagerstätten angestrebt: (1) eine selektive und direkte Bergung der Rohstoffe ohne eine Zerstörung der biologischen Fauna, und (2) ein rückstandfreier Transport an die Meeresoberfläche ohne wesentliche Beeinträchtigung der Wasserschichtungen und Strömungsverhältnisse (d. h., bei der Bergung an die Meeresoberfläche transportierte Materialien dürfen nicht in das Oberflächenwasser zurückgegeben werden und durch die verschiedenen Tiefenbereiche auf den Meeresboden sedimentieren bzw. im Strömungswasser verteilt werden). Aufgrund von (1) ist ein Absaugen des Meeresbodens ausgeschlossen, während (2) bedeutet, dass nur geborgen werden soll, was abtransportiert wird, d. h. im günstigsten Fall ausschließlich die Metallkonglomerate.
Obwohl Robotersysteme vorgeschlagen wurden, welche Metallknollen einzeln oder in Gruppen am Meeresboden sammeln könnten, fehlt bisher eine praktikable Technik für den Transport von Metallknollen mit einem Summengewicht von z. B. Tonnen über eine Distanz von 2000 m bis 7000 m zur Meeresoberfläche und von dort auf Schiffe. Ein schädigungsarmer, umweltverträglicher und energieeffizienter Transport der gesammelten Rohstoffe an die Oberfläche ist bisher nicht verfügbar. Eine Lösung des Problems wird dadurch erschwert, dass sich die Tiefseegebiete im freien Ozean weit entfernt vom Festlandsockel befinden und somit eine Bergungstechnik nicht ortsfest installiert, sondern mobil sein sollte.
Ein Problem der Bergung großer Lasten aus der Tiefsee besteht insbesondere darin, dass ein Auftrieb nur schwer erreichbar ist. Der hydrostatische Druck steigt alle 10 m um 1 bar. In einer Tiefe von 4000 m herrscht folglich ein Druck von ca. 400 bar = 40 MPa. Unter diesem Druck können gasgefüllte Systeme nicht zum Auftrieb verwendet werden, wie das im Flachwasserbereich bei der Wrackbergung üblich ist, da das Gasvolumen extrem komprimiert wird und kaum mehr Auftrieb liefert.
Bei einer Auftriebstechnik für Tiefseetauchgeräte werden Glaskugelschäume (so genannte syntaktische Schäume, z. B. EL 34, Hersteller Trelleborg), bestehend aus luftgefüllten, druckresistenten Glaskugeln, die in einem druckresistenten Verbundmedium eingebettet sind, verwendet. Diese Schäume erzielen allerdings nur einen relativen Auftrieb im Bereich von 10–20%. Von Tiefseetauchgeräten sind des Weiteren Auftriebskörper in Gestalt von nicht-druckresistenten Behältern bekannt, die z. B. mit Benzin gefüllt sind. Dabei wird jedoch auch nur ein geringer Auftrieb erzeugt, der für die Bergung von Rohstoffen unzureichend wäre. Des Weiteren kann von Nachteil sein, dass die Behälter zum Gebrauch mit einem aktiven Antrieb oder unter der Wirkung einer Last in der Tiefsee versenkt werden. Schließlich sind auch großräumige, von Personen gesteuerte Tauchfahrzeuge, die für Tiefen von mehreren Kilometern ausgelegt und mit einer druckfesten Hülle ausgestattet sind, aus Kostengründen für die Bergung von Rohstoffen ungeeignet.
Die Aufgaben der Erfindung sind es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Heben mindestens eines Objekts vom Meeresboden, insbesondere zum Transport von mineralischen Rohstoffen oder anderen Lasten vom Meeresboden hin zur Meeresoberfläche bereitzustellen, mit denen Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Erfindung soll insbesondere ermöglichen, Gegenstände mit großen Massen, wie z. B. Rohstoffe, vom Meeresboden schädigungsarm, umweltverträglich und/oder energieeffizient in Richtung Meeresoberfläche zu transportieren.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, ein Verfahren zum Heben mindestens eines Objekts vom Meeresboden bereitzustellen, bei dem das mindestens eine Objekt mit einem Auftriebsballon verbunden und eine Auftriebsbewegung des Auftriebsballons mit dem Objekt ausgeführt wird. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Auftriebsballon mit einer Auftriebsflüssigkeit gefüllt ist. Gemäß der Erfindung ist des Weiteren vorgesehen, dass die Temperatur der Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon höher als die Temperatur des Meerwassers ist, das den Auftriebsballon umgibt. Die Auftriebsflüssigkeit ist allgemein eine Flüssigkeit mit einer Dichte, die kleiner oder gleich der Dichte von Wasser, insbesondere von Meerwasser ist. Die Massendichte der Auftriebsflüssigkeit ist z. B. geringer als 1100 kg/m³, insbesondere geringer als 1050 kg/m³ (z. B. geringer als 1000 kg/m³). Die Auftriebsflüssigkeit umfasst z. B. Wasser oder eine flüssige Kohlenwasserstoffverbindung. Mit der erhöhten Temperatur ist die Massendichte der Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon relativ zur Massendichte des umgebenden Meerwassers deutlich verringert, so dass eine im Vergleich zu herkömmlichen Techniken höhere Auftriebskraft erzeugt wird. Mit der Erfindung wird ermöglicht, große Massen im Tonnen-Bereich, insbesondere bis zu 1 t oder mehr, z. B. 5 t oder 10 t oder mehr, vom Meeresboden zu heben. Vorteilhafterweise ist das Wasser, wenn es im Auftriebsballon als Auftriebsflüssigkeit verwendet wird, am Meeresboden verfügbar und muss nicht wie bei herkömmlichen Auftriebskörpern zum Meeresboden transportiert werden. Die Verwendung einer erhitzten flüssigen Kohlenwasserstoffverbindung bedeutet zwar, dass diese im Auftriebsballon zum Meeresboden transportiert werden muss. Im Unterschied zur herkömmlichen Verwendung von Benzin für den Auftrieb ergeben sich aber Vorteile aus einer erhöhten Auftriebskraft bzw. aus der Möglichkeit, einen Auftriebsballon mit einem verringerten Volumen zu verwenden.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, eine Balloneinrichtung bereitzustellen, die zum Heben mindestens eines Objekts vom Meeresboden konfiguriert ist und einen Auftriebsballon mit einer Ballonhülle (Ballonhaut), deren Innenraum mit einer Auftriebsflüssigkeit befüllbar ist, und eine Halteeinrichtung umfasst, mit der das mindestens eine Objekt mit dem Auftriebsballon koppelbar ist. Gemäß der Erfindung ist der Auftriebsballon zur Aufnahme der Auftriebsflüssigkeit mit einer erhöhten Temperatur oberhalb der Temperatur von Meerwasser, das den Auftriebsballon umgibt, eingerichtet. Des Weiteren weist gemäß der Erfindung die Ballonhülle eine derart geringe Wärmeleitfähigkeit auf, dass die Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon bei der erhöhten Temperatur gehalten werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit ist so gewählt, dass die Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon bei der erhöhten Temperatur für ein Zeitintervall gehalten werden kann, das für eine Auftriebsbewegung der Balloneinrichtung zur Meeresoberfläche erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Balloneinrichtung ist ein Unterwasserfahrzeug, das durch den statischen Auftrieb der erwärmten Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon getragen wird. Der Auftriebsballon ist zur Aufnahme von z. B. Wasser oder einer flüssige Kohlenwasserstoffverbindung mit der erhöhten Temperatur eingerichtet.
Gemäß der Erfindung wird als Auftriebsflüssigkeit besonders bevorzugt Wasser verwendet. Mit dem Begriff ”Wasser” wird jede Flüssigkeit bezeichnet, die chemisch reines Wasser und ggf. darin gelöste Stoffe enthält. Das Wasser kann salzhaltig, insbesondere chemisch identisch mit dem Meerwasser, sein oder unterirdisches Bodenwasser umfassen. Alternativ wird als Auftriebsflüssigkeit eine flüssige Kohlenwasserstoffverbindung verwendet. Mit dem Begriff ”flüssige Kohlenwasserstoffverbindung” wird jede organische Flüssigkeit bezeichnet, die eine geringere Dichte als Meerwasser in der Tiefsee hat, wie z. B. Ethanol, Benzin, Leichtöle.
Zum Heben des mindestens eines Objekts vom Meeresboden wird der Auftriebsballon typischerweise unmittelbar am Meeresboden bereitgestellt, wobei der Auftriebsballon mit der Auftriebsflüssigkeit erhöhter Temperatur bereits befüllt ist oder befällt wird, und in Richtung Meersoberfläche bewegt. Mit der Formulierung ”vom Meeresboden” wird jedoch auch eine Anwendung der Erfindung umfasst, bei der das zu hebende Objekt nicht unmittelbar am Meeresboden liegt, sondern z. B. aufgrund der verwendeten Bergungstechnik, in einer bestimmten Höhe, z. B. auf einer Plattform, über dem Meeresboden positioniert ist. Gemäß der Erfindung wird das mindestens eine Objekt vom Meeresboden in Richtung hin zur Meeresoberfläche angehoben (geliftet). Der Transport führt typischerweise bis zur Meeresoberfläche, wo das mindestens eine Objekt in ein Schiff übernommen wird. Alternativ kann der Transport alternativ zu einer Position unterhalb der Meeresoberfläche führen, z. B. zu einem unterseeischen Transporter oder einer anderen Position am Meeresboden.
Die Erfindung ist für den Transport verschiedener Arten von Objekten geeignet, die allgemein Festkörper umfassen. Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Objekt einen Behälter, wie z. B. ein Netz oder Käfig, mit einer Vielzahl von Rohstoff-Körpern, wie z. B. Metallknollen. Vorteilhafterweise ermöglicht die Erfindung, selektiv aufgenommene Metallknollen umweltschonend und ggf. sogar ohne Nutzung externer Energiequellen im Tonnenmaßstab aus der Tiefsee an die Meeresoberfläche zu transportieren und auf hoher See durch Schiffe zu bergen. Ein weiterer Vorteil ist es, dass dieser Prozess frei wiederholbar ist und zielgenau und mit einem Minimum an zusätzlichen Komponenten auf dem Meeresboden ausführbar ist. Sowohl die Fauna vor Ort als auch die darüber liegenden Wasservolumina werden nicht oder nur geringfügig durch den Transport beeinflusst und nicht kontaminiert.
Die Temperatur der Auftriebsflüssigkeit kann in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen der Erfindung, insbesondere der Masse des zu transportierenden Objekts und der Dauer des Transports gewählt werden. Vorteile für eine hohe Auftriebskraft und die stabile Beibehaltung des flüssigen Zustands der Auftriebsflüssigkeit, insbesondere des Wassers im Auftriebsballon ergeben sich, wenn die Temperatur der Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon beim Beginn der Auftriebsbewegung mindestens 80°C, insbesondere mindestens 100°C und/oder höchstens 350°C, insbesondere höchstens 300°C beträgt.
Es besteht die Möglichkeit, die Auftriebsflüssigkeit am Meeresboden oder im Auftriebsballon auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen, z. B. mit einer elektrischen Heizeinrichtung. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Auftriebsflüssigkeit Wasser umfasst, das mit erhöhter Temperatur aus einem natürlichen Reservoir in den Auftriebsballon eingefüllt wird. In der Tiefsee sind heiße Quellen (»hot smoker«) vorhanden, aus denen das Wasser mit einer Temperatur bis zu 400°C austritt. Dieses heiße Wasser wird, ggf. durch eine Leitungseinrichtung, in den Auftriebsballon geleitet, wobei sich der Auftriebsballon über oder in der Nähe der heißen Quelle entfalten kann. Sind derartige Heißwasserquellen nicht verfügbar, kann durch eine Tiefenbohrung am Ozeanboden über bekannte Geothermie-Verfahren eine Heißwasserquelle künstlich erzeugt werden. Vorzugsweise wird somit Wasser aus einer unterseeischen Quelle und/oder einer unterseeischen Bohrung durch die Zufuhröffnung in den Innenraum des Auftriebsballons geleitet. Diese Ausführungsformen haben den wichtigen Vorteil, dass Wasser in natürlichen Reservoiren bereits mit einer erhöhten Temperatur, z. B. in den o. g. Bereichen vorliegt. Für den Transport kann somit die Erdwärme als natürliches Energiereservoir genutzt werden.
Insbesondere für die Befüllung des Auftriebsballons am Meeresboden weist die Ballonhülle vorzugsweise eine verschließbare Zufuhröffnung auf, durch die der Auftriebsballon mit der Auftriebsflüssigkeit befüllbar ist. Die Zufuhröffnung hat bei der Verwendung von Wasser eine Größe derart, dass die Befüllung des Auftriebsballons innerhalb eines Zeitintervalls erfolgen kann, das im Vergleich zur Dauer eines Temperaturausgleichs mit dem umgebenden Meerwasser vernachlässigbar gering ist. Demgegenüber kann die Zufuhröffnung bei der Verwendung einer flüssigen Kohlenwasserstoffverbindung eine geringere Größe aufweisen.
Für den Aufwärtstransport wird – anders als bei einem Heißluftballon – die Zufuhröffnung vorzugsweise verschlossen, wobei dieser Verschluss nicht vollständig wasserdicht sein muss. Der Verschluss ist so gestaltet, dass an der Zufuhröffnung kein direkter Wärmeaustausch der kalten Wassers der Umgebung (Temperatur z. B. –1 bis +5°C) mit der heißen Auftriebsflüssigkeit erfolgt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist somit vorgesehen, dass der Auftriebsballon während der Auftriebsbewegung allseits geschlossen ist. Die Zufuhröffnung ist insbesondere so blockiert, dass ein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Innenraum des Auftriebsballons und der Umgebung unterbunden oder vernachlässigbar gering ist. Vorteilhafterweise wird dadurch ein Wärmeabfluss durch Konvektion verhindert.
Vorzugsweise umfasst die Ballonhülle ein flexibles und faltbares Material. Dies ermöglicht, insbesondere bei der Verwendung von Wasser als Auftriebsflüssigkeit, den Auftriebsballon in einem gefalteten Zustand schnell und energiesparend zum Meeresboden zu transportieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Zufuhröffnung eine Öffnung unmittelbar in der Ballonhülle umfassen. Vorteilhafterweise wird damit die Struktur der Balloneinrichtung vereinfacht.
Im Unterschied zu einem Heißluftballon, dessen Ballonhaut möglichst leicht und dünn ausgeführt ist, stellt die Dicke der Ballonhülle des erfindungsgemäß verwendeten Auftriebsballons keine kritische Größe dar. So kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Ballonhülle ein Schichtverbundmaterial, ggf. mit Strukturelementen wie Rippen oder Versteifungen, umfassen. Die Ballonhülle kann z. B. ein Kunststoffgewebe-Verbundmaterial und/oder geschäumte Materialien umfassen, die Vorteile hinsichtlich einer geringen Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das Schichtverbundmaterial kann aus mehreren Schichten mit jeweils verschiedenen Funktionen gebildet sein. Eine Schicht kann beispielsweise ein wasserdichtes Material aufweisen, während eine andere Schicht beispielsweise ein thermisch isolierendes Material aufweisen kann. Alternativ kann die Ballonhülle aus einer einzigen Schicht aus thermisch isolierendem Material hergestellt sein.
Die Tragfähigkeit der Balloneinrichtung hängt von Zustandsgrößen des Auftriebsballons ab, welche die Temperatur der Auftriebsflüssigkeit im Inneren des Auftriebsballons beim Beginn der Auftriebsbewegung, die Temperatur des Meerwassers auf der Außenseite des Auftriebsballons beim Beginn der Auftriebsbewegung, das Volumen des Auftriebsballons und die Wärmeleitfähigkeit der Ballonhülle umfassen.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Erfindung, dass die Tragfähigkeit der Balloneinrichtung gezielt vorgegeben wird, indem mindestens eine der genannten Zustandsgrößen eingestellt wird. Bei praktischen Anwendungen der Erfindung besteht insbesondere die Möglichkeit, das Volumen des Auftriebsballons und die Wärmeleitfähigkeit der Ballonhülle so zu wählen, dass eine für das konkret zu hebende Objekt ausreichende Tragfähigkeit erreicht wird. Aufgrund der besonderen Druck-Temperaturbedingungen in der Tiefsee und entlang des Aufstiegsweges zur Meeresoberfläche können Zustandsgrößen des Auftriebsballons so eingestellt werden, dass die Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon während der Auftriebsbewegung verschiedene Zustände einnimmt. Gemäß einer ersten Variante werden Zustandsgrößen, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Ballonhülle, so gewählt, dass während der Auftriebsbewegung ein Teil der Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon in Dampf, insbesondere Wasserdampf, umgewandelt wird. Diese Umwandlung wird erreicht, indem eine Ballonhülle mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit (hohe Isolationsfähigkeit) verwendet wird derart, dass die Temperatur der Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon mit abnehmendem hydrostatischen Druck des umgebenden Meerwassers den Siedepunkt übersteigt. Vorteilhafterweise kann der Dampf zur Beschleunigung der Auftriebsbewegung verwendet werden. Beispielsweise kann bei der Verwendung von Wasser als Auftriebsflüssigkeit ein Teil vom Wasserdampf aus dem Auftriebsballon ausgetrieben werden. Alternativ kann sich der Auftriebsballon zumindest in einem Teilbereich der Ballonhülle zusätzlich aufblähen, so dass sich sein Volumen vergrößert.
Andererseits besteht die Möglichkeit, Zustandsgrößen des Auftriebsballons, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Ballonhülle, so zu wählen, dass eine Dampfbildung unterbunden wird. Diese Variante der Erfindung wird ermöglicht, indem die Ballonhülle eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die so gewählt ist, dass die Abkühlung der Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon auf dem Weg zur Meeresoberfläche so erfolgt, dass der Siedepunkt der Auftriebsflüssigkeit ständig unterschritten bleibt. Bei dieser Variante der Erfindung bleibt die Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon während der Auftriebsbewegung vollständig im flüssigen Zustand.
Die Auftriebskraft ist entgegengesetzt zur Gravitationskraft gerichtet. Daher bewegt sich der Auftriebsballon inhärent in vertikaler Richtung hin zur Meeresoberfläche. Da jedoch im Meer Strömungen auftreten, könnte der Auftriebsballon während der Auftriebsbewegung abgetrieben werden. Um dies zu vermeiden, kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, den Auftriebsballon mit dem mindestens einen Objekt mit einer Führungseinrichtung zu verbinden, die sich vom Meeresboden zu einer vorbestimmten Position an der Meeresoberfläche, z. B. zu einem Schiff erstreckt. Die Führungseinrichtung kann z. B. ein Seil umfassen, das zwischen dem Meeresboden und der Meeresoberfläche angeordnet ist. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass das Seil gerade ausgerichtet ist. Eine Krümmung, z. B. in Abhängigkeit von Strömungen in verschiedenen Tiefen, ist möglich. Zusätzlich kann die Führungseinrichtung zur Führung der Balloneinrichtung bei einer Sinkbewegung hin zum Meeresboden eingerichtet sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Verfahrensführung erfolgt, insbesondere bei der Verwendung von Wasser als Auftriebsflüssigkeit, das Heben des mindestens einen Objekts vom Meeresboden entsprechend den folgenden Schritten.
Zunächst erfolgt eine Sinkbewegung der Balloneinrichtung, die z. B. von einem Schiff in das Meer abgesetzt wird. Die flexible Ballonhülle des Auftriebsballons ist zunächst leer und vorzugsweise zusammengefaltet. Des Weiteren ist die Balloneinrichtung vorzugsweise mit einem Ballastkörper ausgestattet. Der Ballastkörper hat Vorteile in Bezug auf die Unterstützung der Sinkbewegung in die Tiefsee und die Lokalisierung des Auftriebsballons am Meeresboden.
Nach Erreichen des Meeresbodens wird der Auftriebsballon so positioniert, dass die Zufuhröffnung zum Meeresboden weist. Die Positionierung erfolgt vorteilhafterweise an einem Ort, an dem der Auftriebsballon mit Wasser aus einem natürlichen Reservoir erhöhter Temperatur gefüllt werden kann und an den das mindestens eine zu hebende Objekt, wie z. B. Rohstoff-Körper, ggf. in einem Behälter, gesammelt ist.
Das mindestens eine zu hebende Objekt wird mit dem Auftriebsballon gekoppelt. Vorzugsweise umfasst die Halteeinrichtung der Balloneinrichtung Seile, die um den Auftriebsballon geschlungen sind. Bei der Ankopplung wird das mindestens eine Objekt unmittelbar oder der Behälter mit dem Objekt mit den Seilen verbunden.
Anschließend wird der Auftriebsballon mit Wasser befüllt, dessen Temperatur höher als die Temperatur des umgebenden Meerwassers ist. Der Auftriebsballon bläht sich auf und nimmt eine Gestalt entsprechend der Form der Ballonhülle, z. B. eine sphärische Gestalt an. Dabei führt der Auftriebsballon eine anfängliche Steigbewegung aus. Vorzugsweise wird in dieser Situation die Zufuhröffnung unter Verwendung der Seile zur Ankopplung des mindestens einen Objekts geschlossen.
Anschließend erfolgt die weitere Steigbewegung des Auftriebsballons mit dem mindestens einen Objekt hin zur Meeresoberfläche. Während der Steigbewegung erfolgt zwar eine allmähliche Abkühlung des Wassers im Auftriebsballon. Dabei kann sich die Geschwindigkeit der Steigbewegung verringern. Bei geeigneter Wahl der Zustandsgröße bei Beginn der Auftriebsbewegung wird die Steigbewegung jedoch bis zur Meeresoberfläche fortgesetzt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Auftriebsballon mit einer Ventileinrichtung ausgestattet. Besonders bevorzugt ist die Ventileinrichtung mit der Ballonhülle verbunden, um Restgase oder entstehenden Wasserdampf aus dem Innenraum des Auftriebsballons in dessen Umgebung abzuleiten.
Des Weiteren können Vorteile für die Positionierung und Ausrichtung der Balloneinrichtung am Meeresboden erreicht werden, wenn diese mit einem Auftriebskörper ausgestattet ist, mit dem der Auftriebsballon und seine Bestandteile, jedoch ohne das mindestens eine Objekt in einem schwebenden Zustand gehalten werden kann.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Balloneinrichtung mit Lenkkörpern auszustatten, die vorteilhafterweise eine hydrodynamische Wirkung bei der Sinkbewegung der Balloneinrichtung haben. Mit den Lenkkörpern wird erreicht, dass der Auftriebsballon im zusammengefalteten Zustand während der Sinkbewegung gestrafft wird.
Ist der Auftriebsballon aufgebläht, werden die Transportbehälter mit den entsprechenden Metallkonglomeraten in geeigneter Weise eingehangen und die Verankerung des Auftriebsballons am Boden gelöst. Der Auftriebsballon steigt nun mit seiner Last zur Oberfläche auf, wo er von einem Schiff komplett geborgen werden kann, von seiner Last befreit wird und erneut im wieder zusammengefalteten Zustand mit einem Gewicht versehen in die Tiefe verfrachtet wird.
Zusammengefasst beruht die Erfindung insbesondere darauf, einen thermisch isolierten, tragfähigen Auftriebsballon zu verwenden, der in der Tiefsee über heiße Quellen oder eine an bestimmten Stellen angebrachte Bohrung zur Gewinnung erhitzten Wassers mit diesem befüllt wird, so dass sich im Auftriebsballon ein Wasservolumen mit deutlich höherer Temperatur im Vergleich zur Umgebung befindet. Wichtig für den Auftrieb ist auch in der Tiefsee die Temperaturdifferenz des Wassers innerhalb der Ballonhülle zur Umgebung. Für den Auftrieb bis zur Oberfläche sind des Weiteren die Dauer der Abkühlung des Auftriebsballon-Innenvolumens, sowie der gerichtete Transport zur Oberfläche und zum Schiff von Bedeutung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 und 2: Kurvendarstellungen zur Illustration thermodynamischer Bedingungen in der Tiefsee;
3: eine schematische Illustration der Sinkbewegung und Positionierung der erfindungsgemäßen Balloneinrichtung;
4 und 5: schematische Illustrationen der Befüllung und Beladung der erfindungsgemäßen Balloneinrichtung;
6 bis 8: schematische Illustrationen der Auftriebsbewegung der erfindungsgemäßen Balloneinrichtung;
9: schematische Illustrationen bevorzugter Varianten des Materials der Ballonhülle eines erfindungsgemäß verwendeten Auftriebsballons;
10: eine schematische Illustration einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der während der Auftriebsbewegung Wasserdampf freigesetzt wird; und
11: eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon elektrisch geheizt wird.
Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf eine Balloneinrichtung mit einem Auftriebsballon beschrieben, der im entfalteten Zustand die äußere Form eines Rotationskörpers, wie z. B. einer Kugel oder eines Ellipsoiden oder einer Zusammensetzung aus diesen, aufweist. Die Umsetzung der Erfindung in der Praxis ist jedoch nicht auf die gezeigten Formen beschränkt, sondern auch mit anderen Formen des Auftriebsballons mit ebenen und/oder gekrümmten Oberflächenabschnitten, z. B. in Gestalt eines Quaders, möglich. Des Weiteren kann der Auftriebsballon abweichend von den gezeigten Beispielen mit einer glatten Oberfläche der Ballonhülle alternativ eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Die Oberfläche der Ballonhülle kann z. B. durch eingebettete Strukturelemente gewellt sein.
Des Weiteren wird im Folgenden vorrangig auf die besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, bei der Wasser als Auftriebsflüssigkeit verwendet wird. Ausführungsformen der Erfindung, bei denen ein flüssiger Kohlenwasserstoff als Auftriebsflüssigkeit verwendet wird, können entsprechend realisiert werden, wobei in diesen Fällen der Auftriebsballon keine Zufuhröffnung, wie sie in den Figuren dargestellt ist, aufweist, sondern eine kleinere, mit einem Sperrelement ausgestattet Zufuhröffnung, und der flüssige Kohlenwasserstoff mit einer elektrischen Heizeinrichtung erwärmt wird.
Die konkrete Gestaltung der erfindungsgemäßen Balloneinrichtung, insbesondere die Wahl der Form und Größe des Auftriebsballons und der Geometrie und Zusammensetzung der Ballonhülle, kann vom Fachmann in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen, insbesondere der Meerestiefe, aus dem das mindestens eine Objekt geborgen werden soll, der Verfügbarkeit natürlicher Heißwasserreservoire, den Strömungsverhältnissen und der Masse des Objekts gewählt werden. Dabei wird der Ballon so gestaltet, dass aus der gegebenen Tiefe die gegebene Masse mit einer ausreichenden Geschwindigkeit der Auftriebsbewegung zur Meeresoberfläche transportiert werden kann, um dort mit einem Schiff geborgen zu werden. Dabei kann der Fachmann insbesondere auf die folgenden thermodynamischen Überlegungen unter Bezug auf die 1 und 2 zurückgreifen, die z. B. aus den Angaben im Internet unter www.lsbu.ac.uk/water/phase.html bekannt sind. Dabei zeigt 1 ein Druck(p)-Temperatur(T)-Diagramm von Wasser. In 1 sind die p-T-Bedingungen gezeigt, unter denen Wasser jeweils in der festen (”sol”), gasförmigen (”vap”), flüssigen (”liq”) oder superkritischen (”sup”) Phase ist. In 1 ist der Bereich der Eigenschaften, der im Ozean auftritt, mit einem gestrichelten Kasten eingerahmt. An der Meeresoberfläche herrscht ein Druck von 0.1 MPa, während der Druck in 10.000 m Tiefe etwas mehr als 100 MPa beträgt. Wasser mit Temperaturen zwischen –1°C (freies Meerwasser) und +400°C (aus Quellen) ist verfügbar.
Des Weiteren zeigt 2 ein Dichte(p)-Temperatur(T)-Diagramm von Meerwasser für verschiedene Druckbedingungen. Für Meereswasser bis in eine Tiefe von 7.000 m treffen die Kurven unterhalb der fett gedruckten 70 MPa-Linie (Kurve A) zu. Die senkrechten Linien der Kurven von 0,1 MPa, 4 MPa, 20 MPa stellen den Übergang zur Gasphase dar. Die Dichte nimmt auch noch in einer Tiefe von 2.000 m deutlich ab. Meereswasser der Salinität des Pazifik hat eine Dichte von 1050 kg/m³ bei 0°C. Mit wachsender Temperatur nimmt diese auch noch in einer Tiefe von 7.000 m ab. Wasser einer Temperatur von 300°C besitzt in 7.000 m Wassertiefe eine Dichte von 800 kg/m³, das sind etwa 80% des Wertes bei 0°C. Das Diagramm illustriert die Möglichkeit, über den Auftrieb erwärmten Meereswassers erhebliche Lasten an die Meeresoberfläche zu transportieren, wie im Folgenden dargestellt ist.
Zunächst wird gezeigt, dass heißes Wasser in der Tiefsee zur Erzeugung einer Auftriebskraft verwendet werden kann. Dies ergibt sich zunächst daraus, dass sich die Dichte von Wasser mit steigender Temperatur verringert. Dabei ist das Verhalten des Wassers in seiner Volumen-Temperatur-Abhängigkeit, nicht unter isobaren Verhältnissen (0,1 MPa), sondern zusätzlich in der Abhängigkeit vom Druck zu betrachten (V-T-P-Diagramme).
Bei einer Temperatur höher als +374°C und unter einem Druck größer als 221 bar, geht Wasser in einen superkritischen Zustand über (Bereich „sup” in 1). Das bedeutet, es besteht kein Unterschied zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand, weil das Gas die gleiche Dichte annimmt, wie vorher die Flüssigkeit. 1 zeigt, dass der natürliche Temperaturbereich der Tiefsee an heißen Quellen nach unseren heutigen Kenntnissen in den superkritischen Zustandsbereich des Wassers hineinragt. I. d. R. treten allerdings an heißen Tiefseequellen niedrigere Temperaturen, zwischen 100°C und 300°C, auf. In ganz wenigen Fällen sind 400°C belegt, so dass man davon ausgehen kann, dass in dem hier relevanten Bereich von 2 bis 7 km Wassertiefe und Temperaturen unter 350°C keine superkritischen Verhältnisse auftreten.
Des Weiteren hat sich gezeigt, dass selbst bei steigendem Druck eine Ausdehnung erwärmten Wassers möglich ist und zu welchem Auftrieb diese führt. Die Dichtedifferenz erlaubt dann abzuschätzen, welches Transportpotenzial die Erfindung bietet.
In 2 ist die Dichte ρ des Wassers (Ordinate), seine Temperatur T (Abszisse), für verschiedene Drucke in MPa (Kurven) dargestellt. Wird der Tiefseebereich von 7 km Tiefe bis zur Oberfläche betrachtet, so variiert die Dichte des Wassers auf einer Kurve A (fett gedruckt), die dicht über der von 60 MPa liegt. Beschränkt man sich auf Temperaturen unterhalb +350°C, dann sieht man, dass erwärmtes Wasser auch in der Tiefsee noch ein deutlich größeres Volumen einnimmt als bei einer Temperatur von 0–20°C. Erst bei einem Druck von über 400 MPa wäre das nicht mehr der Fall, was jedoch nicht realistischen Meerestiefen von 40 km entspräche. Entscheidend für den Auftrieb ist somit die Temperaturdifferenz zur Umgebung. Bei einer Tiefe von beispielsweise 3.000 m und 300°C Wassertemperatur ergibt sich eine um etwa 20% verringerte Dichte des warmen Wassers. Der für den Auftrieb nutzbare Bereich ist in 2 mit dem schraffierten Dreieck markiert.
Für einen erfindungsgemäß verwendeten Auftriebsballon mit einem Radius von 5 m ergibt sich die folgende Abschätzung: Das Heißwasservolumen beträgt rd. 523 m³. Mit einer 20-prozentigen Verringerung der Dichte (entspricht einer Wassertemperatur unter +300°C) ergibt sich ein verdrängtes Volumen von ca. 105 m³ Kaltwasser. Damit ergibt sich ein Auftrieb entsprechend dem verdrängten Wasservolumen im ein- bis zweistelligen Tonnenbereich.
Da der Druck beim Aufstieg abnimmt, zeigen die entsprechenden Kurven in 2, dass bei Drücken um 24 MPa und darunter eine starke Abnahme der Dichte zu verzeichnen ist. Diese senkrecht abfallenden Linien in 2 bedeuten, dass das flüssige Wasser bei diesem Druck schlagartig in den gasförmigen Zustand übergeht und sprungartig ein sehr großes Volumen einnimmt. Liegt beispielsweise die Temperatur des Wassers im Auftriebsballon noch über 250°C, so würde bei 4 MPa (also in 400 m Tiefe) das Wasser schlagartig gasförmig und das 800-fache Volumen einnehmen.
Dieser Effekt kann einerseits genutzt werden, um den Auftrieb des Systems zu erhöhen, erfordert dann aber technische Mittel, um einen Teil des entstehenden Gases abzublasen. Andererseits besteht die Möglichkeit durch die Gestaltung der Auftriebsballonhaut die Gasbildung zu unterbinden. Letzteres ist möglich, indem die Haut des Auftriebsballons nicht zu gut thermisch isoliert wird, sondern gerade so, dass die Abkühlung auf dem Weg zur Oberfläche in einem Maße erfolgt, bei welchem der Siedepunkt immer unterschritten bleibt. Beide Varianten werden unten erläutert.
Während der Auftriebsbewegung strebt der Auftriebsballon ohne Führung senkrecht hin zur Oberfläche streben, wobei er jedoch durch Strömungen verdriften und bei starkem Auftrieb taumeln könnte. An der Oberfläche angekommen, schwimmt der Auftriebsballon noch so lange erkennbar an der Oberfläche (z. B. sichtbar durch Färbung, Signale, etc.), bis die Auftriebskraft durch die weitere Abkühlung des Wassers im Auftriebsballon durch das Gewicht des Auftriebsballon mit seiner Last kompensiert und nachfolgend unterschritten werden würde, so dass der Auftriebsballon mit der Fracht wieder in die Tiefsee sinken würde. Die Zeit, über die das System die Wärme im Innenvolumen halten muss, um einen sicheren Transport der Fracht zur Meeresoberfläche und deren Bergung zu erlauben, kann wie folgt abgeschätzt werden:
Geht man von einer Steiggeschwindigkeit der Auftriebsbewegung von einem halben Meter pro Sekunde aus und nimmt an, dass man sich in 6.000 m Tiefe befindet, so dauert der Auftauchvorgang 12.000 Sekunden = 200 Minuten. Nimmt man nun an, dass zur Bergung des Auftriebsballons wenigstens 30 Minuten zur Verfügung stehen sollen, so ergibt sich eine Zeit von 230 Minuten, über die das Auftriebsballoninnere bei einer ausreichend hohen Temperatur gehalten werden muss, damit ein Nettoauftrieb des Gesamtsystems bis zur Bergung erhalten bleibt.
Zum freien Aufstieg besteht die alternative Variante, den Auftriebsballon an einem Führungsseil nach oben steigen zu lassen, das eine Verbindung zwischen dem Startpunkt am Meeresboden und dem Schiff herstellt (siehe unten, 8). An einem zweiten Seil kann der Abtransport in die Tiefe vorgenommen werden.
In 3 sind Phasen der Vorbereitung der erfindungsgemäßen Balloneinrichtung 100 zur Durchführung des Transports einer Last vom Meeresboden 2 hin zur Meeresoberfläche schematisch illustriert. Die Balloneinrichtung 100 umfasst einen Auftriebsballon 10 und eine Halteeinrichtung 20, die mit weiteren Einzelheiten unten beschrieben werden.
Die Balloneinrichtung 100 wird zunächst von einem Schiff (siehe auch 7 und 8) im Meer versenkt, wobei sich der Auftriebsballon 10 in einem zusammengefalteten Zustand befindet. In 3A ist die Sinkbewegung des Auftriebsballons 10 im zusammengefalteten Zustand schematisch illustriert. Der Auftriebsballon 10 ist mit einem Ballastkörper 13, einem Auftriebskörper 15 und Lenkkörpern 16 verbunden. Der Ballastkörper 13 ist ein vom Auftriebsballon 10 lösbares Zuggewicht mit einer Masse von z. B. 50 kg, dessen Masse und Form so gewählt sind, dass sich der Ballastkörper 13 während der Sinkbewegung am vorderen Ende, d. h. in Gravitationsrichtung (siehe Pfeil) am unteren Ende der Balloneinrichtung 100 befindet. Die Lenkkörper 16 sind am entgegengesetzten Ende der Balloneinrichtung 100 angeordnet.
Der Auftriebskörper 15 hat eine Massendichte geringer als Wasser. Er umfasst beispielsweise mindestens eine druckresistente, hohle Glaskugel, die in einem Harz eingebettet ist. Der Auftriebskörper 15 ist so bemessen, dass er die leere Ballonhülle 11 des Auftriebsballons 10 tragen kann. Der Ballastkörper 13 ist über ein Seil mit dem Auftriebskörper 15 verbunden.
Die Lenkkörper 16 besitzen eine Plattenform, z. B. Tellerform, wodurch der Auftriebsballon 10 während der Sinkbewegung nach hinten, d. h. nach oben, gestrafft wird. Die Lenkkörper 16 sind zwar schwerer als Wasser, bilden aber aufgrund ihrer Form und Anbringung an Seilen 17 einen Strömungswiderstand. Die Seile 17 sind über Halteringe 22 der Halteeinrichtung 20 mit dem Auftriebsballon 10 verbunden. Die Halteringe 22 sind entlang des Randes einer Zufuhröffnung 12 des Auftriebsballons 10 verteilt angeordnet. Durch die Halteringe 22 läuft ein Halteseil 21, mit dem das zu hebende Objekt koppelbar ist.
Zusätzlich kann die Balloneinrichtung 100 mit einer Signaleinrichtung (nicht dargestellt) ausgestattet sein, die für eine Kommunikation, z. B. mit akustischen und/oder elektromagnetischen Wellen eingerichtet ist. Die Signaleinrichtung kann beispielsweise akustische Signale oder Lichtsignale abgeben, die eine Ortung der Balloneinrichtung 100 während der Sinkbewegung und/oder am Meeresboden 2 ermöglichen.
In 3B ist die Situation gezeigt, wenn der Ballastkörper 13 den Meeresboden 2 erreicht. Die Positionierung des Auftriebsballons 10 erfolgt derart, dass die Zufuhröffnung 12 in der Ballonhülle 11 zum Meeresboden 2 weist. Dies wird erreicht, indem die Lenkkörper 16 nicht weiter durch die Strömung bei der Sinkbewegung nach hinten gedrückt werden, sondern zum Meeresboden 2 sinken. Dabei wird die Ballonhülle 11 gewendet (umgekrempelt). Die Außenseite der Ballonhülle 11 während der Sinkbewegung wird zur Innenseite der Ballonhülle 11 bei der Positionierung der Balloneinrichtung 100 und den nachfolgenden Schritten. Die Ballonhülle 11 wird über den Ballastkörper 13 gestülpt, während die Lenkkörper 16 und ein Transportring 23, der mit dem Halteseil 21 verbunden ist, auf den Meeresboden 2 sinken.
Anschließend wird der Ballastkörper 13 vom Auftriebskörper 15 getrennt. Die Trennung kann beispielsweise ferngesteuert mit einem Ausklinkmechanismus oder automatisch in Abhängigkeit von der Zugbelastung des Seils zwischen dem Ballastkörper 13 und dem Auftriebskörper 15 erfolgen. Im Ergebnis bewegt sich, wie in 3C gezeigt, der Auftriebskörper 15 nach oben, bis die Ballonhülle 11 in vertikaler Richtung gestrafft, im Vergleich zu 3A jedoch gewendet ist. Die Ballonhülle 11 wird vom Auftriebskörper 15 getragen. Unter der Wirkung der Lenkkörper 16 und des Transportringes 23 bleibt die Balloneinrichtung 100 am Meeresboden 2 positioniert. Durch die Wendung der Ballonhülle 11 sind die Lenkkörper 16 auf einer gekrümmten, geschlossenen Linie, insbesondere ungefähr einer Kreislinie, voneinander beabstandet angeordnet, so dass die Zufuhröffnung 12 auf der zum Meeresboden 2 weisenden Seite des Auftriebsballons 10 aufgespannt wird.
In 4 ist die Ankopplung des Objekts 1 an die Balloneinrichtung 100 und die Befüllung des Auftriebsballons 10 mit heißem Wasser 3 gezeigt. 4A entspricht der in 3C illustrierten Situation, wobei zusätzlich das Objekt 1 gezeigt ist. Das Objekt 1 umfasst z. B. einen Behälter mit Manganknollen, der mit dem Transportring 23 verbunden ist. Der Behälter wird beispielsweise in den Transportring 23 eingehängt. Abweichend von der Darstellung mit einem einzelnen Objekt können alternativ mehrere Objekte, z. B. mehrere Behälter mit Manganknollen, in den Transportring 23 oder in weitere Transportringe (nicht dargestellt) eingehängt werden.
Nach der Kopplung des Objekts 1 mit dem Auftriebsballon 10 wird durch die Zufuhröffnung 12 heißes Wasser aus einer unterseeischen Quelle 4 in das Innere des Auftriebsballons 10 gefüllt. Die Befüllung ist in 4B schematisch gezeigt.
Typischerweise wird die Positionierung der Balloneinrichtung 100 nach der Sinkbewegung und Wendung des Auftriebsballons (3) nicht genau über einer Quelle 4 erfolgen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, ein am Meeresboden 2 autonom arbeitendes Robotersystem zu verwenden, um das heiße Wasser 3 aus der Quelle 4 durch eine Verbindungsleitung in den Auftriebsballon 10 zu leiten.
Während der Zufuhr des heißen Wassers aus der Quelle 4 in den Auftriebsballon 10 wird dessen vorheriger Inhalt, umfassend kaltes Meerwasser, allmählich in die Umgebung verdrängt und die Ballonhülle 11 vollständig entfaltet. Sobald durch das heiße Wasser 3 im Ballon eine zusätzliche Auftriebskraft erzeugt wird, führt der Auftriebsballon 10 eine anfängliche Steigbewegung aus, so dass die Ballonhülle 11 und die Halteseile 21 gestrafft werden. Da das Halteseil 21 durch die Halteringe 22 am Umfangsrand der Zufuhröffnung 12 verläuft, werden durch die Straffung des Halteseils 21 die Halteringe 22 zusammengezogen und die Zufuhröffnung 12 geschlossen. Durch die Gewichtskraft des Objekts 1 wird die Zufuhröffnung 12 so geschlossen, dass kein oder nur ein vernachlässigbarer Stoffaustausch zwischen dem Innenraum des Auftriebsballons 10 und der Umgebung erfolgt.
Die Situation des Auftriebsballons 10 kurz vor dem Abheben ist nochmals in 5, hier mit mehreren Objekten 1 am Transportring 23, gezeigt. Der Auftriebsballon 10 ist mit Wasser 3 mit einer Temperatur im Bereich von z. B. 200°C bis 350°C gefüllt, während das umgebende Meerwasser eine Temperatur von rund 0°C aufweist. Entsprechend weist das Wasser 3 eine geringere Massendichte als das umgebende Meerwasser auf, so dass die gewünschte Auftriebskraft erzeugt wird. Die in 5 gezeigten zusätzlichen Objekte 1 können nach der anfänglichen Steigbewegung der Balloneinrichtung 100 in den Transportring 23 eingehängt worden sein.
In den 6 und 7 sind die weiteren Phasen der Auftriebsbewegung der Balloneinrichtung 100 mit dem Auftriebsballon 10 und dessen Bergung mit einem Schiff 40 an der Meeresoberfläche 6 schematisch gezeigt. Es wird betont, dass 7 keine maßstabsgerechte Darstellung ist. In der Realität der Tiefsee ist die Ausdehnung der Balloneinrichtung 100 in vertikaler Richtung (z. B. 5 m bis 50 m) viel geringer als die Meerestiefe von z. B. 4000 m.
6 zeigt die Balloneinrichtung 100 mit den angehängten Objekten 1 im Moment des Abhebens. Unter der Wirkung der Objekte 1 wird mit dem Halteseil 21 die Zufuhröffnung 12 komplett abgeschnürt, so dass eine Abkühlung durch eine Konvektion unterbunden wird. Die Auftriebsbewegung erfolgt im Gegensatz zur Gravitationsrichtung (siehe Pfeil) hin zur Meeresoberfläche. Wenn die Balloneinrichtung 100 gemäß 7 die Meeresoberfläche 6 erreicht, wird zunächst die Oberseite des Auftriebsballons 10 sichtbar. Durch eine Markierung (z. B. Färbung) der Ballonhülle und/oder akustische und/oder elektromagnetische Signale kann die Balloneinrichtung 100 vom Schiff 40 aus geortet werden. Mit einer Greifeinrichtung 41, wie z. B. einem Kran, an Bord des Schiffes 40 kann die Balloneinrichtung 100 mit den Objekten 1 an Bord genommen werden.
8 illustriert die wiederholte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer oder mehreren Balloneinrichtungen 100 zur Bergung von Rohstoffen. Des Weiteren ist in 8 eine Führungseinrichtung 30 mit zwei Führungsseilen 31, 32 gezeigt, mit denen die Balloneinrichtung 100 während der Sinkbewegung bzw. während der Auftriebsbewegung gekoppelt ist. Im Einzelnen wird die Balloneinrichtung 100 zunächst von einem Schiff 40 aus im Meer versenkt. Wie in 3A gezeigt, führt die Balloneinrichtung 100 eine Sinkbewegung aus, bei welcher der Auftriebsballon 10 zusammengefaltet und unter der Wirkung des Ballastkörpers 13 und der Lenkkörper 16 ausgerichtet wird. Während der Sinkbewegung ist die Balloneinrichtung 100 mit dem ersten Führungsseil 31, z. B. über ein Seil, gekoppelt. Das erste Führungsseil 31 ist zwischen dem Schiff 40 und einer ortsfesten Position am Meeresboden 2 aufgespannt. Bei Erreichen des Meeresbodens 2 erfolgt die oben beschriebene Wendung der Ballonhülle 11 und die Positionierung des Auftriebsballons 10 über der Quelle 4. Hierzu kann die Balloneinrichtung 100 vom unteren Verankerungspunkt des ersten Führungsseils 31 wegbewegt werden. Hierzu werden beispielsweise autonome Robotersysteme am Meeresboden 2 oder Tauchgeräte verwendet. Nach der Befüllung des Auftriebsballons 10 mit Wasser, dessen Temperatur höher als die des umgebenden Meereswassers ist, und dem Koppeln von mehreren Objekten 1 mit dem Auftriebsballon 10 erfolgt die Auftriebsbewegung hin zum Schiff 40. Hierzu wird die Balloneinrichtung 100 mit dem zweiten Führungsseil 32 der Führungseinrichtung 30 gekoppelt. Das zweite Führungsseil 32 ist zwischen dem Schiff 40 und einer weiteren Position aufgespannt. Mit der Verwendung von zwei Führungsseilen 31, 32 und der dargestellten Geometrie wird die Durchführung eines effizienten Kreisprozesses vereinfacht, bei dem gleichzeitig zur Sinkbewegung von einer oder mehreren Balloneinrichtungen 100 die Auftriebsbewegung von einer oder mehreren Balloneinrichtungen 100 mit angehängten Objekten 1 erfolgen kann.
In 9 sind weitere Einzelheiten des Aufbaus der Ballonhülle 11 gezeigt. 9A illustriert eine Ballonhülle 11 in einer perspektivischen Schnittdarstellung. Die Ballonhülle 11 umfasst einen Schichtverbund, der wie folgt aufgebaut ist. An der Innenseite 11.1 der Ballonhülle 11, die während der Auftriebsphase der Balloneinrichtung zum Innenraum des Auftriebsballons weist und an die das Wasser erhöhter Temperatur grenzt, befindet sich zunächst eine Wärme-reflektierende Schicht 11.2. Diese umfasst z. B. eine Infrarot-Strahlungreflektierende Metallfolie, wie eine Aluminium-Folie. An diese angrenzend ist eine Barriereschicht 11.3 angeordnet, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die übrigen Schichten der Ballonhülle 11 aufweist. Die Barriereschicht 11.3 umfasst z. B. Kunststoff, wie z. B. Flachfolie aus Copolymerisat von Tetrafluorethylen und perflourierten Cokomponenten, Flachfolie aus Copolymerisat von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen. Schließlich befindet sich auf der Barriereschicht 11.3 eine Außenhaut 11.4, welche die Außenseite der Ballonhülle 11 in den Zustand während der Auftriebsphase des Auftriebsballons bildet. Die Außenhaut 11.4 ist aus einem strapazierfähigen Material, wie z. B. Geweben, Netzen aus Kunststoff, Metall, eingebettet in seewasserbeständige Gummierungen oder Polymere hergestellt, und optional zusätzlich mit Verstärkungselementen 11.6 ausgestattet. Die Verstärkungselemente 11.6 umfassen z. B. Rippen, die in die Außenhaut 11.4 integriert und in der Ausschnittsdarstellung der Außenseite 11.5 der Ballonhülle 11 in 9B schematisch gezeigt sind.
Typischerweise ist die Dicke und das Material der Barriereschicht 11.3 so gewählt, dass während der Auftriebsbewegung vom Meeresboden 2 zur Meeresoberfläche eine definierte Temperaturabsenkung erfolgt und die Bildung von Wasserdampf vermieden wird. Alternativ kann bei ausreichend starker thermischer Isolation das Verfahren gemäß der Erfindung so ausgeführt werden, dass in der Nähe der Meeresoberfläche oder beim Auftauchen das Wasser im Auftriebsballon noch so heiß ist, dass es durch den abnehmenden Druck sprungartig in den dampfförmigen Zustand übergeht. Diese Situation ist in 10 schematisch illustriert. Mit der Erzeugung des Wasserdampfs verringert sich die Dichte im Auftriebsballon 10 bei gleichzeitiger massiver Volumenzunahme sprungartig. Um ein Platzen der Ballonhülle 11 zu verhindern, werden die Zufuhröffnung 12 oder weitere Öffnungen 12.1 des Auftriebsballons 10 aufgedrückt, so dass Wasserdampf 7 aus dem Auftriebsballon 10 entweichen kann. Falls dies nicht ausreicht, kann in die Ballonhülle 11 eine Ventileinrichtung 14 integriert sein, durch die ggf. Wasserdampf in die Umgebung entweichen kann.
Die Bereitstellung des Wassers 3 mit erhöhter Temperatur muss nicht zwingend unter Verwendung einer natürlichen Quelle erfolgen. Vielmehr kann eine elektrische Heizeinrichtung 50 zum Aufheizen des Wassers 3 im Auftriebsballon 10 vorgesehen sein. Diese Ausführungsform der Erfindung ist in 11 schematisch illustriert. Die Heizeinrichtung 50 umfasst ein elektrisches Widerstandsheizelement 51, das über ein Versorgungskabel 52 mit einer Stromquelle, z. B. auf einem Schiff an der Meeresoberfläche verbunden ist. Über die Verbindungsleitung 52 wird elektrische Energie hoher Leistung in das Widerstandsheizelement 51 eingebracht, um das Wasser 3 im Auftriebsballon auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Das Widerstandsheizelement 51 ragt z. B. durch die Zufuhröffnung 12 in den Auftriebsballon 10. Falls keine Zufuhröffnung vorgesehen ist, z. B. bei der Verwendung eines flüssigen Kohlenwasserstoffs als Auftriebsflüssigkeit, wird das Widerstandsheizelement 51 durch Verformung eines flexiblen Abschnitt der Ballonhülle in Wärmekontakt mit der Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon 10 gebracht. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur erfolgt die Auftriebsbewegung hin zur Meeresoberfläche, wie dies oben beschrieben wurde.
Die Erfindung wurde oben unter beispielhaftem Bezug auf die Bergung von Rohstoffen beschrieben. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Rohstoffgewinnung beschränkt, sondern entsprechend auch beim Transport anderer Lasten, wie z. B. von Wracks, möglich.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3225728 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.lsbu.ac.uk/water/phase.html [0046]

Claims

Verfahren zum Heben eines Objekts (1) vom Meeresboden (2), mit den Schritten – Koppeln des Objekts (1) mit einem Auftriebsballon (10), und – Auftriebsbewegung des Auftriebsballons (10) mit dem Objekt (1), dadurch gekennzeichnet, dass – der Auftriebsballon (10) mit einer Auftriebsflüssigkeit (3) gefüllt ist, deren Temperatur oberhalb der Temperatur von Meerwasser ist, das den Auftriebsballon (10) umgibt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem – bei Beginn der Auftriebsbewegung des Auftriebsballons (10) mit dem Objekt (1) die Temperatur der Auftriebsflüssigkeit (3) im Auftriebsballon (10) zwischen 80°C und 350°C beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auftriebsflüssigkeit Wasser (3) oder eine flüssige Kohlenwasserstoffverbindung umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – die Auftriebsflüssigkeit (3) im Auftriebsballon (10) am Meeresboden mit einer elektrischen Heizeinrichtung (50) geheizt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – der Auftriebsballon (10) mit Wasser aus einer unterseeischen Quelle (4) und/oder einer unterseeischen Bohrung (5) gefüllt ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – der Auftriebsballon (10) während der Auftriebsbewegung allseits geschlossen ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – Zustandsgrößen des Auftriebsballons (10) so eingestellt werden, dass die Auftriebsflüssigkeit (3) im Auftriebsballon (10) während der Auftriebsbewegung teilweise in einen dampfförmigen Zustand, insbesondere in Wasserdampf (6), umgewandelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem – der Wasserdampf zur Beschleunigung der Auftriebsbewegung verwendet und/oder zumindest teilweise in das umgebende Meerwasser abgegeben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem – Zustandsgrößen des Auftriebsballons (10) so eingestellt werden, dass die Auftriebsflüssigkeit (3) im Auftriebsballon (10) während der Auftriebsbewegung im flüssigen Zustand bleibt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem – die eingestellten Zustandsgrößen des Auftriebsballons (10) mindestens eines von der Temperatur der Auftriebsflüssigkeit (3) beim Beginn der Auftriebsbewegung, dem Volumen des Auftriebsballons (10) und der Wärmeleitfähigkeit einer Ballonhülle (11) des Auftriebsballons (10) umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – während der Auftriebsbewegung der Auftriebsballon (10) mit dem Objekt mit einer Führungseinrichtung (30) verbunden ist, die sich vom Meeresboden zu einem Schiff (40) erstreckt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – das Objekt (1) eine Vielzahl von metallhaltigen geologischen Körpern umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten – Sinkbewegung des Auftriebsballons (10) im zusammenfalteten Zustand unter der Wirkung eines Ballastkörpers (13) zum Meeresboden (2); – Positionierung des Auftriebsballons (10) am Meeresboden (2) derart, dass eine Zufuhröffnung (12) des Auftriebsballons (10) zum Meeresboden (2) weist, – Koppeln des Objekts (1) mit dem Auftriebsballon (10), – Zufuhr des Wassers (3) mit der erhöhten Temperatur in den Auftriebsballon (10), so dass der Auftriebsballon (10) eine anfängliche Steigbewegung ausführt, – Verschließen der Zufuhröffnung unter der Wirkung des Gewichts des Objekts (1), und – weitere Steigbewegung des Auftriebsballons (10).
Balloneinrichtung (100), die zum Heben eines Objekts (1) vom Meeresboden (2) konfiguriert ist, umfassend – einen Auftriebsballon (10) mit einer Ballonhülle (11), deren Innenraum mit einer Auftriebsflüssigkeit befüllbar ist, und – eine Halteeinrichtung (20), mit der das Objekt mit dem Auftriebsballon (10) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet dass – der Auftriebsballon (10) zur Aufnahme der Auftriebsflüssigkeit mit einer erhöhten Temperatur oberhalb der Temperatur von Meerwasser, das den Auftriebsballon (10) umgibt, eingerichtet ist, und – die Ballonhülle (11) eine derart geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, dass die Auftriebsflüssigkeit im Auftriebsballon (10) bei der erhöhten Temperatur gehalten werden kann.
Balloneinrichtung gemäß Anspruch 14, bei der – die Ballonhülle (11) eine verschließbare Zufuhröffnung (12) umfasst, durch die der Auftriebsballon (10) mit der Auftriebsflüssigkeit (3) befüllbar ist.
Balloneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 15, bei der – die Ballonhülle (11) aus einem flexiblen, faltbaren Material hergestellt ist, und/oder – die Zufuhröffnung (12) eine Öffnung in der Ballonhülle (11) umfasst.
Balloneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der – die Ballonhülle (11) ein Schichtverbundmaterial umfasst.
Balloneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der – die Ballonhülle (11) ein Material umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit so gewählt ist, dass während einer Auftriebsbewegung die Auftriebsflüssigkeit (3) im Auftriebsballon (10) teilweise in Dampf (6) umgewandelt wird.
Balloneinrichtung gemäß Anspruch 18, bei der – die Ballonhülle (11) eine Ventileinrichtung (14) umfasst, mit der Dampf (6) aus dem Innenraum in die Umgebung des Auftriebsballons (10) ableitbar ist.
Balloneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der – die Ballonhülle (11) ein Material umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit so gewählt ist, dass während einer Auftriebsbewegung die Auftriebsflüssigkeit (3) im Auftriebsballon (10) im flüssigen Zustand bleibt.
Balloneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, bei der – die Halteeinrichtung (20) mindestens ein Halteseil (21) umfasst.
Balloneinrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, die umfasst – einen Ballastkörper (13), unter dessen Wirkung der Auftriebsballon (10) in einem zusammengefalteten Zustand eine Sinkbewegung ausführen und am Meeresboden (2) gehalten werden kann, – einen Auftriebskörper (15), unter dessen Wirkung der Auftriebsballon (10) in einem schwebenden Zustand gehalten werden kann, und/oder – eine Vielzahl von Lenkkörpern (16), unter deren Wirkung der Auftriebsballon (10) in einem zusammengefalteten Zustand während einer Sinkbewegung gestrafft werden kann.