Transportation for deep sea mining using underwater vehicle: Conceptual design using a systematic approach

Abstract

Hensikten med denne oppgaven er å foreslå designløsning (er) på konseptuelt nivå for undervannstransport av malm fra havbunn til havn for gruvedrift. Essensen av dyphavs gruvedrift er å utvinne mineraler fra en marin forekomst og gjøre dem tilgjengelige for videre bearbeiding og raffinering for å få et salgbart produkt. Innhenting av dypthavs mineralressurser er imidlertid krevende på grunn av den fjerne tilstedeværelsen på flere tusen meters vanndybde.

Metodikken for å svare på denne problemstillingen var basert på systematisk konseptuell design av Pahl, Beitz, Feldhusen, & Grote (2007). Grunnleggende problemer ble identifisert gjennom abstraksjon og etablering av funksjonsstruktur. Videre ble løsningsfeltet utforsket ved å oppdage arbeidsprinsipper (designparametere) og kategorisert basert på fysiske prinsipper. Designverktøy som klassifiseringsordninger og morfologiske diagram vi brukte. Prinsippene ble kombinert og kompatibiliteten mellom prinsippene ble gjennomgått. Dette førte til identifisering av arbeidskonstruksjoner (dvs. en kombinasjon av designparametere). Disse ble laget til løsningsvarianter ved å introdusere en lokasjon ved Atlantic Mid-Ocean Ridge (AMOR).

De resulterende lovende løsningene var: 1. En AUV med en spreader for å samle en container inni lasterom. Marine railway brukt ved havn. 2. En AUV for tauing av en container. Marin railway brukt ved havn.

Andre viktige bidrag inkluderer: • Et systemdesignfokus og implementering av marinteknologiprinsipper til kjent konseptuell ingeniørdesigntilnærming: bringe det ytre miljøet til løsningen inn i evalueringen i en marin teknologisk kontekst • En matrise som inneholder designparametere som kan brukes til å designe et (undervanns) transportsystem for gruvedrift, men også annen transport av lignende karakter • En måte å bruke arbeidsstruktursett for kompabilitetssjekk og valg ved stort løsningsfelt: begrense løsningsrommet saktere for ikke å miste noen gode løsninger • En oppdatering av verdikjeden med hensyn til avkobling av utgraving og transport

Lovende veier for videre arbeid var å ta resultatene inn i embodimentdesign for layout og hjelpefunksjoner, for eksempel energiforsyning og kontroll. Enhver arbeidsstruktur kan også lages av den morfologiske matrisen som presenteres i denne oppgaven for design av forskjellige løsninger.

The purpose of this thesis is to propose design solution(s) at the conceptual level for underwater transportation of ore from seabed to port for deep sea mining. The essence of deep sea mining operations is to extract minerals from a marine deposit and make them available for further processing and refining in order to obtain a sellable product. However, the retrieval of abyssal mineral resources is demanding due to the remote presence at several thousand meters water depth.

The methodology to answer this issue was based on systematic conceptual design by Pahl, Beitz, Feldhusen, & Grote (2007). Fundamental problems were identified through abstraction and establishment of function structure. Moreover, the solution field was explored by discovering working principles (design parameters) and categorised based on physical principles. Design tools such as classification schemes and morphological chart we used. The principles were combined and compatibility between principles was reviewed. This led to the identification of working structures (i.e. a combination of design parameters). These were firmed up into solution variants by introducing an example case for operation at the Atlantic Mid-Ocean Ridge (AMOR). The resulting promising solutions were:

1. An AUV with a spreader for collecting a container inside cargo hold. Marine railway used at port. 2. An AUV for towing of a container using a rope. Marine railway used at port.

Other important contributions include: • A systems design focus and implementation of marine technology principles to a renowned conceptual engineering design approach: bringing the external environment of the solution into the evaluation in a marine technology context • A matrix containing design parameters that can be utilised for designing an (underwater) transportation system for deep sea mining, but also other transportation of similar character • A way of using working structure sets for combability check and selection of large solution field: narrowing the solution space more slowly in order to not lose any good solutions • An update of the value chain with respect to the decoupling of excavation and transportation

Promising paths for further work were to take the results into embodiment design where layout and auxiliary functions, such as energy supply and control, are studied closer. Also, any working structure can be made from the morphological matrix presented in this thesis for design of different solutions.