KR20150107886A - 해저 단괴 선광 시스템 및 방법 - Google Patents

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말콤 레이쉬맨 로퍼
숀 마이클 플룬켓트
존 마이클 파리아노스
롤랜드 군터 베른트
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노틸러스 미네랄스 싱가포르 피티이 엘티디
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Abstract

해저 단괴 선광 시스템이 개시되어 있다. 해저 단괴 선광 시스템은 수상함 및 상기 수상함에 고정된 해저운반수단을 포함한다. 해저운반수단은 상기 수상함에 예인되도록 개조된다. 해저 단괴 선광 시스템은 또한 해저운반수단에 연결된 단괴 수집 장치를 포함한다. 단괴 수집 장치는 해저 상에 위치해 있다. 해저 단괴 선광 시스템은 또한 상기 단괴 수집 장치의 위치를 결정하고 상기 단괴 수집 장치의 위치 정보를 해저운반수단 및 수상함에 전달하는 위치 결정 디바이스를 포함한다.

Description

해저 단괴 선광 시스템 및 방법{A Seafloor Nodule Concentrating System and Method}
본 발명은 단괴 선광 시스템(seafloor nodule concentrating system)에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 심해의 바닥에 위치한 광물질 단괴의 채광 시스템 및 방법에 관한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
해양의 다양한 위치에서 그리고 특히 하와이 제도(Hawaiian Islands)의 남부에 이르기까지의 대면적의 중부 태평양(central Pacific Ocean)에서, 다금속 단괴(polymetallic nodules)가 심해 바닥의 진흙 표면층에 존재한다. 단괴의 크기는 조약돌(pebble) 크기부터 주먹 크기까지 다양하며, 일반적으로 약 5000미터의 수심에 존재한다.
1970년대 후반 이래로, 심해 해저로부터 단괴를 채광하는 상업적으로 실행가능한 다양한 방법들이 시도되어 왔다.
미국특허 제4,042,279호에 선행기술이 개시되어 있다. 이 방법은 해저 단괴 회수 수단(vehicle) 및 광석을 해저 단괴 회수 수단으로부터 수상함(surface vessel)으로 수송하기 위한 광석 호이스팅 시스템(ore hoisting system)을 포함한다.
제4,042,279호에 기재된 해저 단괴 회수 수단은 해저슬레드(benthic sleds)로 일컬어지는 수단의 범주에 있다. 해저슬레드는 전형적으로 그 자체의 동력으로 움직일 수 없을 뿐만 아니라 슬레드는 조정할 수 있는 능력이 없다. 상기 기술된 시스템에서, 해저 단괴 회수 수단 및 관련된 광석 호이스팅 시스템은 수상함에 의하여 예인되고, 회수 수단의 밑면에 인접한 해저로부터 단괴를 수집한다. 그리고 나서 슬러리 상태의 단괴를 펌프질을 하여, 본 건의 상향관(riser pipe)에 의하여 회수 수단으로부터 광석 호이스팅 시스템으로 끌어올린다.
제4,042,279호에 기재된 방법에는 많은 문제점이 있다. 해저 단괴 회수 수단은 해저로부터 단괴를 수집하고 수집된 단괴를 광석 호이스팅 시스템으로 전달하는 데에는 충분히 효과적인 반면에, 해저 단괴 회수 수단은 예정된 경로를 따라가도록 조정할 수 없으며, 대부분 끌려가고 와류방출 및 상향관으로 인하여 "꿈틀꿈틀 움직이는(snake)" 경향이 있다. 이러한 효과는 수중 속도가 증가할 때 더욱 악화된다.
해저 단괴 회수 수단이 약 5000미터의 깊이에서 작동할 경우, 원하는 경로를 유지하지 못한다는 결점은 해저로부터 단괴를 회수하는 속도를 상당히 감소시킨다.
제4,042,279호에 기재된 시스템의 다른 문제점은 수상함 및 광석 전달 시스템과 관련된 비용 문제이다. 수상함은 광석을 수상함으로 전달하기에 충분한 길이로 해저를 향해 연장하는 상향 시스템을 구비하기에 충분히 커야 한다.
상기 상향 시스템과 연관된 중량은 상당하여 수상함은 이 중량을 운반하기에 충분한 크기여야 한다. 이는 해저 단괴 회수 수단이 주어진 시간에 비교적 소량의 단괴를 회수하기만 하는 상황을 감안할 때, 비교적 높은 운영비용이 들게 된다.
본 발명에 포함되는 모든 문헌, 작동, 소재, 장치, 물품 또는 유사품은 본 발명을 제공하는 목적에 의해서만 존재한다. 이 모든 문제들은 선행기술의 근거의 일부를 형성하거나 본 출원의 각 청구항의 우선일 이전에 존재한 대로 본 발명과 연관된 분야에서 일반적인 상식을 가졌던 것으로 인정되지 않는다.
본 발명의 목적은 하나 또는 그 이상의 상기한 문제점을 극복하거나 적어도 완화시키고 또는 소비자로 하여금 유용하거나 상업적인 선택을 하도록 제공하는데에 있다.
본 발명의 다른 바람직한 목적은 하기 기재에 의하여 명백해질 것이다.
본 발명은 유일할 필요는 없을지라도 가장 넓은 형태로, 일 관점에서 수상함(surface vessel);
상기 수상함에 고정되고, 상기 수상함에 의하여 예인되도록 개조된 해저운반수단(undersea steering vehicle);
상기 해저운반수단에 연결되어 해저에 위치하는 단괴(nodule) 수집 장치; 및
상기 단괴 수집 장치의 위치를 결정하고 단괴 수집 장치의 위치 정보를 상기 해저운반수단 및 수상함에 전달하도록 개조된 위치 결정 디바이스;를 포함하는 해저 단괴 선광 시스템(seafloor nodule concentrating system)에 관한 것이다.
적절하게는, 상기 해저운반수단은 상기 단괴 수집 장치의 방향을 변경하도록 개조된다. 적절하게는, 상기 해저운반수단은 상기 위치 결정 디바이스로부터 단괴 수집 장치의 위치 정보의 수신에 응답하여 단괴 수집 장치의 방향을 변경하도록 개조된다.
본 발명은 다른 관점에서 지지체 부재;
각각이 상기 지지체 부재에 고정되어 있고, 광석 단괴의 밑면에 인접한 해저로부터 광석 단괴를 수집하고 상기 단괴들을 출구 파이프로 전달하기 위하여 개조된 2개 이상의 단괴 수집 디바이스; 및
각 단괴 수집 디바이스의 상기 출구 파이프로부터 수집된 광석 단괴를 수납하고 상기 수집된 단괴를 해저 상에 윈드로(windrow)로 재배치시키기 위하여 개조된 조합 출구 파이프;를 포함하는 단괴 수집 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또 다른 관점에서 단괴 수집 장치를 해저를 따라서 수상함 후면으로 예인하는 단계;
상기 단괴 수집 장치가 예정된 경로를 벗어날 때를 결정하는 단계; 및
상기 단괴 수집 장치가 상기 예정된 경로를 우회하도록 상기 단괴 수집 장치의 방향을 변경하는 단계;를 포함하는 해저 채광 방법에 관한 것이다.
바람직하게는 해저운반수단은 상기 수상함 및 상기 단괴 수집 장치 사이에 배치하고 단괴 채광 장치의 방향을 변경하도록 개조된다.
본 발명은 다른 특징은 하기에 기재된 내용으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 의한 방법은 연결된 광석 호이스팅 시스템을 가진 대수단(large vessel)을 이용하여 수상함 통과당 비교적 큰 부피의 단괴를 보다 관리가능한 속도로 수집함으로써 많은 운영비가 드는 공지의 수집 방법에 비하여 상업적인 이익을 가져온다.
본 발명의 이해를 돕고, 본 분야의 당업자가 본 발명을 실제적인 효과를 얻기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 후술하는 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 단괴 선광 시스템 도식도의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 단괴 선광 시스템 도식도의 투시도이다.
도 3A는 도 1에 나타낸 해저 단괴 선광 시스템의 해저 회수 장치의 지지체 부재 형성 부품의 평면도이다.
도 3B는 도 1에 나타낸 해저 단괴 선광 시스템의 해저 회수 장치의 대체 지지체 부재 형성 부품의 평면도이다.
도 3C는 도 1에 나타낸 해저 단괴 선광 시스템의 해저 회수 장치의 대체 지지체 부재 형성 부품의 평면도이다.
도 3D는 도 1에 나타낸 해저 단괴 선광 시스템의 해저 회수 장치의 대체 지지체 부재 형성 부품의 평면도이다.
도 3E는 도 1에 나타낸 해저 단괴 선광 시스템의 해저 회수 장치의 대체 지지체 부재 형성 부품의 평면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 단괴 선광 시스템(100) 도식도의 평면도이고, 도 2는 해저 단괴 선광 시스템(100) 도식도의 투시도이다.
해저 단괴 선광 시스템(100)은 수상함(surface vessel, 110), 상기 수상함에 라인(101)에 의하여 고정된 해저운반수단(undersea steering vehicle, 120) 및 상기 해저운반수단에 라인(102)에 의하여 고정된 단괴(nodule) 수집 장치(103)를 포함한다. 해저 단괴 선광 시스템(100)은 또한 수상함(110)에 라인(103)에 의하여 고정된 위치 결정 디바이스(position determination device, 140)를 포함한다.
수상함(110)은 보트, 예인선(tug) 또는 선박의 형태이다. 상기에 언급한 해저운반수단(12)은 상기 수상함(110)에 헤비 듀티 토우 케이블(heavy duty tow cable) 등과 같은 라인(101)에 의하여 연결된다.
바람직하게는 해저운반수단(12)은 본 분야에서 공지의 원격조정장비(Remotely Operated Vehicle, ROV)의 형태이다. ROV는 심해오일프로젝트에서 광범위하게 사용되며, 본질적으로 원격조정되도록 개조되고/되거나 예정된 항로를 따르도록 프로그램되어 있는 잠수함이다.
해저운반수단(120)은 수상함(110)에 의하여 예인된다.
단괴 수집 장치(130)는 해저운반수단(120)에 라인(102)에 의하여 연결되어 있다. 해저운반수단(120)은 단괴 수집 장치(130)의 근위 및 수상함(110)의 원위에 위치해 있다. 예를 들면, 단괴 수집 장치(13)가 5000미터의 바다에서 작동할 경우, 수상함(110) 및 단괴 수집 장치(130)의 거리는 8000미터가 될 것이다. 그 경우에, 해저운반수단(120)은 바람직하게는 단괴 수집 장치(130)로부터 약 20 내지 100미터에 위치해 있다.
실시예에서 2개의 고정 케이블이 해저운반수단(120)을 단괴 수집 장치(130)를 연결시켜 준다. 대체적인 형태로는 다수의 케이블, 또는 해저운반수단(120)에 장착된 유압식 또는 기계식 레버를 통하여 조정하는 트림(trim)이 특징일 수 있는 케이블 브라이들(bridle) 조차도 포함할 수 있다.
해저운반수단(120)의 실시예에서 해저에서 수 미터 내지 수십 미터 위로 물내에 매달려있다. 대체 형태는 가이딩 휠 또는 스키드(skids)를 통하여 상기 해저로 해저운반수단(120)을 연결시킬 수 있다.
상기 실시예에서, 단괴 수집 장치(130)는 지지체 부재(131)에 고정된 다수의 단괴 수집 디바이스(nodule collection devices, 132)를 가진 지지체 부재를 포함한다. 바람직한 형태로는 각각의 단괴 수집 디바이스는 해저슬레드(benthic sleds)이며, 미국특허 제4,042,279호에 기재된 대로 기능한다.
라인(102)의 각각은 그 반대 단부에서 지지체 부재(131)에 연결되어 있다. 실시예에서 지지체 부재(131)는 나타낸 바와 같이, 그 리딩 사이드(leading side) 상에 오목간선(concave edge)을 가지고, 트레일링 에지(trailing edge) 상에 볼록간선(convex edge)을 가진 아치형(arcuate)이다. 지지체 부재(131)는 바람직하게는 고정 빔(rigid beam)의 형태이다. 바람직한 형태로는 각 단괴 수집 디바이스(132)는 힌지 또는 스프링 등에 의하여 지지체 부재(131)에 고정되어 있다.
각 단괴 수집 디바이스(132)는 출구 파이프 또는 그 단부에 연결된 수압 컨베이어(hydraulic conveyor, 133)를 가지고 있다. 각 출구 파이프 또는 수압 컨베이어(133)는 각 단괴 수집 디바이스의 밑면에 인접하여 수집된 단괴를 받고, 조합 출구 파이프 또는 수압 컨베이어(134)로 이 단괴들을 전달하도록 개조된다. 바람직한 형태에서 출구 파이프 또는 수압 컨베이어(133)는 유연한 연결장치로 단괴 수집 디바이스(132)에 연결되고, 출구 또는 수압 컨베이어(134)는 유연한 연결장치로 출구 파이프 또는 수압 컨베이어(133)에 연결되어 있다.
또 다른 형태에서 출구 파이프 또는 수압 컨베이어(134)는 지지체 부재(131)와 통합되거나 인접해 있을 수 있다.
조합 출구 파이프 또는 수압 컨베이어(134)는 각 단괴 수집 디바이스(132)에 의하여 해저로 수집된 단괴를 산출하도록 배치되어 있다.
바람직한 형태에서 조합 출구 파이프 또는 수압 컨베이어(134)를 따라서 단괴를 전달하기 위한 수압이 물을 통한 해저 선광 시스템의 전방운동에 의하여 제공된다.
위치 결정 디바이스(position determination device, 140)는 수상함에 라인(103)에 의하여 연결되어 있다. 실시에에서 위치 결정 디바이스(14)는 단괴 수집 장치(13) 상에 위치한 무선송신소(beacons, 미도시))와 공지된 수중위치추정기법(Ultra Short Base Line) 음향 위치 시스템을 같이 형성하는 것을 커뮤니케이트하도록 개조된 수상으로 예인된 트랜스폰더(transponder)의 형태이다. 이와 같은 방식으로 위치 결정 디바이스(140)는 단괴 수집 장치(130)을 결정하도록 개조되고 하기에 상세하게 기재될 것과 같이 해저운반수단을 조정하는 데에 조력하기 위하여 그 위치를 전달하도록 개조된다.
대체 실시예에서, 위치 결정 디바이스(140)는 해저운반수단(120) 상에 또는 사실상 단괴 수집 장치(130) 상에 위치할 수 있으며, 가속도계(accelerometer), GNSS 시스템 또는 다른 유사 위치 결정 기술의 형태일 수 있다. 이러한 방식에서 위치 결정 디바이스(140)는 단괴 수집 장치(130)의 위치를 결정하고 상기 위치를 해저운반수단(120)에 전달하는 기능을 한다.
쓰이고 있는 수상함(11)은 모든 해저운반수단(120), 단괴 수집 장치(13) 및 위치 결정 디바이스(140)을 해저로부터 그렇게 함으로써 된 채광 단괴로의 예정된 경로를 따라서 예인한다.
단괴 수집 장치(130)가 예인됨에 따라, 라인(101) 상의 드래그(drag)는 이전에 언급된 대로 꿈틀꿈틀거릴 수 있다. 위치 감지 디바이스(140)는 단괴 수집 장치(130)의 위치를 이전에 언급한 바와 같이 감지하도록 개조된다. 단괴 수집 장치(130)가 예정된 경로를 벗어나 이동할 때, 위치 감지 디바이스(140)는 이 사항과 이러한 움직임의 세부사항을 해저운반수단(120)에 전달한다. 해저운반수단(120)은 결과적으로 단괴 수집 장치(130)를 이동시키기 위한 코스를 조정하여 예정된 경로로 되돌린다.
결과적으로, 본 발명의 해저 단괴 선광 시스템(100)은 다음의 예정된 경로를 실행할 수 있는 회수를 보장함으로써 효과적이고 효율적으로 해저에 존재하는 단괴를 회수할 수 있는 심해 단괴 회수 시스템을 제공할 수 있다. 이와 같이, 허용가능한 양의 단괴는 해저에 남겨두지 않고/않거나 해저 채광 장치는 일부분 이미 개발된 해저에는 예인되지 않는다.
단괴 수집 장치(130)은 예정된 경로를 따라서 해저 상에 수상함(110)에 의하여 예인될 때, 단괴 수집 디바이스(131) 각각은 각 단괴 수집 디바이스의 밑면에 인접한 해저로부터 단괴를 수집하고 수집된 단괴를 각각의 출구 파이프(133)로 전달한다.
이전에 언급한 바와 같이, 바람직한 형태에서 이와 같은 수집은 미국특허 제4,042,279호에 기재되어 있으며, 이를 참조한다. 대체 형태에서 각 단괴 수집 디바이스는 해저 슬레드의 다른 형태일 수 있다.
출구 파이프(133)의 각각은 조합 출구 파이프(134)로 수집된 단괴를 전달하고, 해저 상에서 수집된 단괴(104)을 증착시 수집된 단괴를 둔다.
해저 채광 장치가 해저 상의 예정된 경로를 따라 추적할 때, 수집된 단괴의 윈드로우(windrow)를 이동할 때 비교적 좁은 트랙으로 남겨둔다. 그리고 나서 테일 라인에 의하여 해저 회수 장치에 연결된 광석 호이스팅 시스템이 장착된 다른 수단을 들어올리고, 수집된 단괴를 해저로부터 수상으로 전달하도록 한다.
본 발명에 의한 방법은 연결된 광석 호이스팅 시스템을 가진 대수단(large vessel)을 이용하여 수상함 통과당 비교적 큰 부피의 단괴를 보다 관리가능한 속도로 수집함으로써 많은 운영비가 드는 공지의 수집 방법에 비하여 상업적인 이익을 가져온다.
도 3A 내지 도 3E는 단괴 수집 장치(130)의 교체 지지체 부재 형성 부품의 평면도이다.
도 3A에 나타낸 지지체 부재(231)는 제1 지지체 부재(231A) 및 제1 지지체 부재(231A)에 대하여 비스듬히 배열된 제2 지지체 부재(2331B)로부터 형성된다. 약 90도인 바람직한 형태에서 지지체 부재(231A 및 231B)는 지지체 부재(231)의 트레일링 에지 상에 불록간선을 형성한다.
도 3B에 나타낸 지지체 부재(331)는 그 리딩 사이드(leading side) 상에 오목간선(concave edge)을 가지고, 트레일링 에지(trailing edge) 상에 볼록간선(convex edge)을 가진 아치형(arcuate)이다.
도 3C에 나타낸 지지체 부재(431)은 도시된 바와 같이 선형 부재로부터 형성된다.
도 3D에 나타낸 지지체 부재(131)은 이전에 기재한 바와 같다.
도 3A에 나타낸 지지체 부재(531)는 제1 지지체 부재(531A) 및 제1 지지체 부재(531A)에 대하여 비스듬히 배열된 제2 지지체 부재(5331B)로부터 형성된다. 약 90도인 바람직한 형태에서 지지체 부재(531A 및 531B)는 지지체 부재(531)의 트레일링 에지 상에 불록간선을 형성한다.
단괴 수집 장치(130)는 다수의 단괴 수집 디바이스(132)를 가진 것으로 도시된 반면에, 해저 채광 시스템 및 방법(100)은 단일 단괴 수집 디바이스(132), 2개의 수집 디바이스(132) 또는 2개 이상의 수집 디바이스(132)를 가진 해저 회수 장치를 이용할 수 있다.
명세서 전체를 통하여 "포함한다" 또는 "포함하는"의 문구는 기술된 요소, 정수 또는 단계, 또는 그룹의 요소, 정수 또는 단계를 포함하는 것으로 이해되나, 다른 요소, 정수 또는 단계, 또는 그룹의 요소, 정수 또는 단계를 포함하지는 않는다.

Claims (13)

  1. 수상함(surface vessel);
    상기 수상함에 고정되고, 상기 수상함에 의하여 예인되도록 개조된 해저운반수단(undersea steering vehicle);
    상기 해저운반수단에 연결되어 해저에 위치하는 단괴(nodule) 수집 장치; 및
    상기 단괴 수집 장치의 위치를 결정하고 단괴 수집 장치의 위치 정보를 상기 해저운반수단 및 수상함에 전달하도록 개조된 위치 결정 디바이스;를 포함하는 해저 단괴 선광 시스템(seafloor nodule concentrating system).
  2. 제1항에 있어서, 상기 해저운반수단은 상기 위치 결정 디바이스로부터 단괴 수집 장치의 위치 정보의 수신에 응답하여 단괴 수집 장치의 방향을 변경하도록 개조된 것을 특징으로 하는 해저 단괴 선광 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 해저운반수단은 상기 단괴 수집 장치의 근위에 위치하는 것을 특징으로 하는 해저 단괴 선광 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 해저운반수단은 원격조정장비의 형태인 것을 특징으로 하는 해저 단괴 선광 시스템.
  5. 지지체 부재;
    각각이 상기 지지체 부재에 고정되어 있고, 광석 단괴의 밑면에 인접한 해저로부터 광석 단괴를 수집하고 상기 단괴들을 출구 파이프로 전달하기 위하여 개조된 2개 이상의 단괴 수집 디바이스; 및
    각 단괴 수집 디바이스의 상기 출구 파이프로부터 수집된 광석 단괴를 수납하고 상기 수집된 단괴를 해저 상에 윈드로(windrow)로 재배치시키기 위하여 개조된 조합 출구 파이프;를 포함하는 단괴 수집 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 지지체 부재는 그 리딩 사이드(leading side) 상에서 오목한 형태를 가진 것을 특징으로 하는 단괴 수집 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 지지체 부재는 그 트레일링 에지(trailing edge) 상에서 불록한 형태를 가진 것을 특징으로 하는 단괴 수집 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 지지체 부재는 아치형(arcuate)인 것을 특징으로 하는 단괴 수집 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 지지체 부재는 고정 빔(rigid beam) 형태인 것을 특징으로 하는 단괴 수집 장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 조합 출구 파이프는 수압 컨베이어(hydraulic conveyor) 형태인 것을 특징으로 하는 단괴 수집 장치.
  11. 제5항에 있어서, 상기 광석 단괴를 각 단괴 수집 디바이스의 출구 파이프를 따라서 상기 조합 출구 파이프로 전달하고 상기 단괴 수집 장치의 전방운동에 의하여 생성된 수압력에 의하여 해저 상에 윈드로(windrow)로 재배치되는 것을 특징으로 하는 단괴 수집 장치.
  12. 단괴 수집 장치를 해저를 따라서 수상함 후면으로 예인하는 단계;
    상기 단괴 수집 장치가 예정된 경로를 벗어날 때를 결정하는 단계; 및
    상기 단괴 수집 장치가 상기 예정된 경로를 우회하도록 상기 단괴 수집 장치의 방향을 변경하는 단계;를 포함하는 해저 채광 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 해저운반수단은 상기 수상함 및 상기 단괴 수집 장치 사이에 배치하고 단괴 채광 장치의 방향을 변경하도록 개조된 것을 특징으로 하는 해저 채광 방법.
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