作為廣州“2+2+N”科創平台體系中的兩大國家重大科技基礎設施之一，冷泉生態系統研究裝置（以下簡稱“冷泉裝置”）已於近日啟動建設。該設施由中國科學院南海海洋研究所牽頭申報並承擔建設，計劃用5年時間建成。
為何國家願意花大力氣投入設計、建設冷泉裝置？裝置的三大部分“海底實驗室分總體”“保真模擬分總體”“保障支撐分總體”分別有哪些科學用途？
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保真模擬分總體
在陸地實驗室模擬深海環境
冷泉裝置的保真模擬分總體是唯一建在陸地上的實驗室，它將建成國際最大尺度的冷泉生態系統與可燃冰成藏開採模擬實驗裝置，在實驗室內模擬深海的環境去研究冷泉生態系統。
來自中國科學院海洋研究所的冷泉生態系統研究裝置用戶委委員張鑫表示：“保真模擬分總體其實就是將冷泉生態系統的整體樣品原封不動地帶回陸上實驗室
，將冷泉生態系統里的泥、水、生物、微生物、生態系統、可燃冰等，用一個‘保真’的方式帶回來。既要保障這一過程中的溫壓不變，挪到陸上實驗室後，實驗室也將模擬深海的低溫高壓環境，從而長時間地培養和觀察冷泉生態系統。”
張鑫介紹，冷泉生態系統搬到保真模擬實驗室後，實驗人員便可以改變實驗室的大環境，從而觀察冷泉生態系統的極限在哪裡。
比如，把甲烷含量增加到很高，或者降到很低，抑或改變水中的PH值，改變溫度等，從而觀察這些外部大環境的改變會對實驗室中的冷泉生態系統產生哪些變化。
“它能不能承受這種變化，承受的度是多少，這對我們接下來進行可燃冰等資源的開採利用非常重要。
”冷泉裝置總工藝師馮景春介紹，保真模擬分總體主要分為冷泉艙和可燃冰艙兩部分，其中，冷泉艙體水體高15米，可燃冰的艙體內部高3.6米，科學家將儘可能保證它的各類環境條件和海底原位環境一樣，將冷泉生態系統整體在陸上進行復現。
海底實驗室分總體
多項生命支持
技術與空間站類似
冷泉裝置中，海底實驗室分總體主要由一個可在深海長期駐守的實驗室構成。該海底實驗室內部由5個互相串聯的鈦合金耐壓殼體組成，其最大工作潛深為2000米，排水量約600噸，最多可載6名人員（3名駕駛人員、3名科研人員）。
此外，海底實驗室還配有電池艙、原位觀察艙及乾濕轉換艙等。這5個串聯球體具有不同功能，包括科學實驗艙、航行駕駛與作業操控艙、多功能探測艙、人員起居艙、電力及輔機艙。
據了解，此前，為實現最大深度2000米的海底長時間駐留，科研人員已做了大量實驗驗證，目前已突破鈦合金大規格材料製備、大型鈦合金球殼高精度成形、鈦合金厚板高效可靠焊接等關鍵技術，對這些球體的結構安全性和製造工藝進行了驗證。
海底實驗室內還配有多個電池艙柱殼，電池艙內的鋰離子電池將為實驗室提供電能和動力。深海長期駐留對鋰電池的性能與安全提出很高要求。目前，海底實驗室計劃使用的濕式耐壓鋰離子電池模塊已在深海勇士號和奮鬥者號中得到了安全充放電實驗驗證。
為確保科研人員在緊急環境下能快速逃脫，海底實驗室分總體制定了多重、充分、體系化的應急救生方案。例如，海底實驗室上方有一個應急逃逸艙，逃逸艙可載6人，在密閉環境下，這一逃逸艙可提供不少於6小時的空氣，人員逃到海面上後，逃逸艙內還準備了3天的淡水和食物，方便他們等待救援。
“在這個海底實驗室內，供氧、供水、二氧化碳消除方案等相關的生命支持系統均借鑒了潛艇和空間站的相關技術，它也可以類比作一個海底‘空間站’。”張鑫說，“冷泉生態系統最早發現於20世紀70年代的墨西哥灣，在沒有陽光的深海，它顛覆了‘萬物生長靠太陽’的一般認知，這個系統主要依靠海底的甲烷、硫化氫等物質提供能量。它是如何形成，又是如何運作的，國際上雖然有很多科學家都在開展研究工作，但因缺乏深海原位實驗室，科學家一直無法掌握其形成過程與機制，因此，冷泉裝置才必須建立這一海底實驗室，方便科學家原位進行觀察。”
“未來，在這個海底實驗室，我們既可以安排科學家在海底工作，也將布局一些完全由機器操控的科學實驗，科學家只需定期到海底觀察實驗進展即可。”張鑫表示，目前海底實驗室的極限工作深度是2000米，而在我國南海，已知的冷泉區深度在1400—1800米之間，“海底實驗室是可移動的，它可以根據實驗需要在不同地點部署。因此這個可移動的海底實驗室，可以實現對南海海底冷泉的基本覆蓋。”
保障支撐分總體
水面保障母船載運收放救援
保障支撐分總體主要由水面保障母船、研發與智慧管理中心兩部分組成。水面保障母船具備海底實驗室海上載運收放、水面及水下綜合保障、人員應急救援等功能。而研發與智慧管理中心則主要包括科學數據與樣品服務中心、智慧調度中心等。負責冷泉裝置的日常運維管理、出海作業時的遠程指揮等。
張鑫介紹，在海上，海底實驗室與位於海面的保障母船互相依託、互相聯繫，母船可以載着海底實驗室行駛到相關位置，之後再將實驗室下放到海底，實現海底實驗室的收與放。
當海底實驗室需要長期原位駐留時，海底實驗室可以進行水下充電，同時可以通過載人潛水器運送回科研人員和關鍵樣品。“保障母船其實也是一個實驗室，有很多實驗可以先拿回到船上來做，如一些冷泉生物的特徵標記和基因編輯。”
冷泉裝置應用廣泛
從科學研究的角度來看，冷泉裝置對研究地球生命的起源有着重要作用。從產業角度來看，冷泉裝置的建設及運行，將對可燃冰產業化、海洋生物資源利用、海洋裝備製造等產業發展有着“沿途下蛋”的積極推動作用，能大幅提升我國的深海科學技術創新能力。例如，冷泉裝置可助力人類掌握可燃冰開採前、開採過程和開採後環境變化及其生態效應，助力可燃冰的綠色開發利用；冷泉裝置將深入揭示化能合成的生物固碳機制，篩選高效菌種，助力實現“雙碳”目標。
此外，深海原位長期載人駐留實驗技術可應用於建設不同譜系的深海駐留裝備，未來將廣泛應用於深海油氣以及鐵錳結核等礦產資源開發等領域。
馮景春介紹，冷泉裝置涉及生命起源、海工裝備、海底能源、大數據、環境生態等多個領域的前沿研究。未來，作為國際科技創新重要承載地的廣州，也將利用冷泉裝置開展相關國際大科學計劃，邀請國際頂尖科學家，發現和解決相關科學問題。
進海底實驗室要過心理關
海底實驗室像宇宙空間站，那麼研究人員進入海底實驗室，需要做哪些準備，是否需要經過特別的訓練呢？
據馮景春介紹，目前，以“蛟龍”號為代表，我國的載人深潛技術已非常成熟。海底實驗室裡面的生活環境是常溫、常壓和乾燥的，和普通岸上的實驗室沒有差別，只是空間會相比陸上實驗室狹窄一些。
在海底，科學家不需要像宇航員那樣擔心射線的傷害，也沒有失重的煩惱。“對於科學家來說，他們需要的是心理素質上的訓練，我們也會有相應的培訓，接受相關的心理訓練後，一般都可以實現海底長時間的駐留。”馮景春說。
何為冷泉？
甲烷加持的生態系統
“冷泉”是指海底之下的甲烷、硫化氫和二氧化碳等氣體在地質結構或壓力變化驅動下，溢出海底進入海水的活動。而冷泉生態系統是指海洋生物利用海底冷泉滲出的化學物質為能源進行化能合成，發育成海底黑暗世界裡獨特的生態系統，具有黑暗、高壓、低氧等理化特徵，以可燃冰分解的甲烷為生源要素，通過化能合成作用而生生不息，被譽為“深海綠洲”。因此，冷泉生態系統與海底可燃冰存在強耦合關係。
冷泉為化能自養生物提供碳源和能量，維繫着以化能自養菌為食物鏈基礎的冷泉生物群，並成為初級生產者。在此基礎上，繁衍着管狀蠕蟲、蛤類、貽貝類、甲殼類、多毛類動物以及海星、海膽、蟹類、冷水珊瑚、魚類等後生動物，形成一套完整的化能營養為基礎的深海生態系統。目前，科學家已經在冷泉生態系統中發現了600多種生物。
冷泉生態系統承載着地球深部碳循環的密碼，是研究極端環境生命適應機制、探索新型生物資源的戰略要地。開展冷泉生態系統研究是可燃冰等深海資源綠色開發與深海科學研究的最佳切入點。冷泉裝置將為冷泉生態系統的研究提供全新的視角和技術手段，加速相關領域的科研進展，為海洋科技領域研究樹立新標杆。
科學家解前沿
廣州海洋地質調查局科技處科技主管趙斌：廣州已兩次試采可燃冰。
我國南海的可燃冰儲量非常豐富，廣州海洋地質調查局先後在2017年和2020年成功完成了我國兩輪南海海域的可燃冰試采。
趙斌介紹，2017年的首輪試采創造了試采時長和產氣總量兩項世界紀錄，第二輪試采刷新了日均產氣量和產氣總量的世界紀錄。這進一步增強了我國在可燃冰科技創新領域的國際“領跑”地位，形成了32項關鍵技術，研發了12項核心裝備，初步構建了深海可燃冰勘查開發技術裝備體系。
趙斌表示：“我們的目標是力爭儘快實現可燃冰的產業化開採。2017年試采是探索性的直井開採，2020年試采則是試驗性的水平井開採，下一步，我們的試采將探索新模式，這也是可燃冰產業化之前的重要一步。”
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來源：廣州日報
編輯：葉雅欣
校對：張子笛
二審：梁思靜
終審：黃增才
簽發：李立志
出品：南沙區融媒體中心
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