科研人员正在进行天然气水合物核磁共振实验。
作为广州“2+2+N”科创平台体系中的两大国家重大科技基础设施之一，冷泉生态系统研究装置（以下简称“冷泉装置”）已于近日启动建设。该设施由中国科学院南海海洋研究所牵头申报并承担建设，计划用5年时间建成。为何国家愿意花大力气投入设计、建设冷泉装置？装置的三大部分“海底实验室分总体”“保真模拟分总体”“保障支撑分总体”分别有哪些科学用途？本期《科技周刊》，我们将一探究竟。
保真模拟分总体
在陆地实验室模拟深海环境
冷泉装置的保真模拟分总体是唯一建在陆地上的实验室，它将建成国际最大尺度的冷泉生态系统与可燃冰成藏开采模拟实验装置，在实验室内模拟深海的环境去研究冷泉生态系统。
来自中国科学院海洋研究所的冷泉生态系统研究装置用户委委员张鑫告诉记者：“保真模拟分总体其实就是将冷泉生态系统的整体样品原封不动地带回陆上实验室，将冷泉生态系统里的泥、水、生物、微生物、生态系统、可燃冰等，用一个‘保真’的方式带回来。既要保障这一过程中的温压不变，挪到陆上实验室后，实验室也将模拟深海的低温高压环境，从而长时间地培养和观察冷泉生态系统。”
张鑫介绍，冷泉生态系统搬到保真模拟实验室后，实验人员便可以改变实验室的大环境，从而观察冷泉生态系统的极限在哪里。比如，把甲烷含量增加到很高，或者降到很低，抑或改变水中的pH值，改变温度等，从而观察这些外部大环境的改变会对实验室中的冷泉生态系统产生哪些变化。“它能不能承受这种变化，承受的度是多少，这对我们接下来进行可燃冰等资源的开采利用非常重要。”
冷泉装置总工艺师冯景春介绍，保真模拟分总体主要分为冷泉舱和可燃冰舱两部分，其中，冷泉舱体水体高15米，可燃冰的舱体内部高3.6米，科学家将尽可能保证它的各类环境条件和海底原位环境一样，将冷泉生态系统整体在陆上进行复现。
海底实验室分总体
多项生命支持技术与空间站类似
冷泉装置中，海底实验室分总体主要由一个可在深海长期驻守的实验室构成。该海底实验室内部由5个互相串联的钛合金耐压壳体组成，其最大工作潜深为2000米，排水量约600吨，最多可载6名人员（3名驾驶人员、3名科研人员）。此外，海底实验室还配有电池舱、原位观察舱及干湿转换舱等。这5个串联球体具有不同功能，包括科学实验舱、航行驾驶与作业操控舱、多功能探测舱、人员起居舱、电力及辅机舱。
记者了解到，此前，为实现最大深度2000米的海底长时间驻留，科研人员已做了大量实验验证，目前已突破钛合金大规格材料制备、大型钛合金球壳高精度成形、钛合金厚板高效可靠焊接等关键技术，对这些球体的结构安全性和制造工艺进行了验证。
海底实验室内还配有多个电池舱柱壳，电池舱内的锂离子电池将为实验室提供电能和动力。深海长期驻留对锂电池的性能与安全提出很高要求。目前，海底实验室计划使用的湿式耐压锂离子电池模块已在深海勇士号和奋斗者号中得到了安全充放电实验验证。
为确保科研人员在紧急环境下能快速逃脱，海底实验室分总体制定了多重、充分、体系化的应急救生方案。例如，海底实验室上方有一个应急逃逸舱，逃逸舱可载6人，在密闭环境下，这一逃逸舱可提供不少于6小时的空气，人员逃到海面上后，逃逸舱内还准备了3天的淡水和食物，方便他们等待救援。
“在这个海底实验室内，供氧、供水、二氧化碳消除方案等相关的生命支持系统均借鉴了潜艇和空间站的相关技术，它也可以类比作一个海底‘空间站’。”张鑫说，“冷泉生态系统最早发现于20世纪70年代的墨西哥湾，在没有阳光的深海，它颠覆了‘万物生长靠太阳’的一般认知，这个系统主要依靠海底的甲烷、硫化氢等物质提供能量。它是如何形成，又是如何运作的，国际上虽然有很多科学家都在开展研究工作，但因缺乏深海原位实验室，科学家一直无法掌握其形成过程与机制，因此，冷泉装置才必须建立这一海底实验室，方便科学家原位进行观察。”
“未来，在这个海底实验室，我们既可以安排科学家在海底工作，也将布局一些完全由机器操控的科学实验，科学家只需定期到海底观察实验进展即可。”张鑫表示，目前海底实验室的极限工作深度是2000米，而在我国南海，已知的冷泉区深度在1400—1800米之间，“海底实验室是可移动的，它可以根据实验需要在不同地点部署。因此这个可移动的海底实验室，可以实现对南海海底冷泉的基本覆盖。”
保障支撑分总体
水面保障母船载运收放救援
保障支撑分总体主要由水面保障母船、研发与智慧管理中心两部分组成。水面保障母船具备海底实验室海上载运收放、水面及水下综合保障、人员应急救援等功能。而研发与智慧管理中心则主要包括科学数据与样品服务中心、智慧调度中心等。负责冷泉装置的日常运维管理、出海作业时的远程指挥等。
张鑫介绍，在海上，海底实验室与位于海面的保障母船互相依托、互相联系，母船可以载着海底实验室行驶到相关位置，之后再将实验室下放到海底，实现海底实验室的收与放。
当海底实验室需要长期原位驻留时，海底实验室可以进行水下充电，同时可以通过载人潜水器运送回科研人员和关键样品。“保障母船其实也是一个实验室，有很多实验可以先拿回到船上来做，如一些冷泉生物的特征标记和基因编辑。”
冷泉装置应用广泛
从科学研究的角度来看，冷泉装置对研究地球生命的起源有着重要作用。从产业角度来看，冷泉装置的建设及运行，将对可燃冰产业化、海洋生物资源利用、海洋装备制造等产业发展有着“沿途下蛋”的积极推动作用，能大幅提升我国的深海科学技术创新能力。例如，冷泉装置可助力人类掌握可燃冰开采前、开采过程和开采后环境变化及其生态效应，助力可燃冰的绿色开发利用；冷泉装置将深入揭示化能合成的生物固碳机制，筛选高效菌种，助力实现“双碳”目标。
此外，深海原位长期载人驻留实验技术可应用于建设不同谱系的深海驻留装备，未来将广泛应用于深海油气以及铁锰结核等矿产资源开发等领域。
冯景春介绍，冷泉装置涉及生命起源、海工装备、海底能源、大数据、环境生态等多个领域的前沿研究。未来，作为国际科技创新重要承载地的广州，也将利用冷泉装置开展相关国际大科学计划，邀请国际顶尖科学家，发现和解决相关科学问题。
进海底实验室要过心理关
海底实验室像宇宙空间站，那么研究人员进入海底实验室，需要做哪些准备，是否需要经过特别的训练呢？
据冯景春介绍，目前，以“蛟龙”号为代表，我国的载人深潜技术已非常成熟。海底实验室里面的生活环境是常温、常压和干燥的，和普通岸上的实验室没有差别，只是空间会相比陆上实验室狭窄一些。
在海底，科学家不需要像宇航员那样担心射线的伤害，也没有失重的烦恼。“对于科学家来说，他们需要的是心理素质上的训练，我们也会有相应的培训，接受相关的心理训练后，一般都可以实现海底长时间的驻留。”冯景春说。
何为冷泉？甲烷加持的生态系统
“冷泉”是指海底之下的甲烷、硫化氢和二氧化碳等气体在地质结构或压力变化驱动下，溢出海底进入海水的活动。而冷泉生态系统是指海洋生物利用海底冷泉渗出的化学物质为能源进行化能合成，发育成海底黑暗世界里独特的生态系统，具有黑暗、高压、低氧等理化特征，以可燃冰分解的甲烷为生源要素，通过化能合成作用而生生不息，被誉为“深海绿洲”。因此，冷泉生态系统与海底可燃冰存在强耦合关系。
冷泉为化能自养生物提供碳源和能量，维系着以化能自养菌为食物链基础的冷泉生物群，并成为初级生产者。在此基础上，繁衍着管状蠕虫、蛤类、贻贝类、甲壳类、多毛类动物以及海星、海胆、蟹类、冷水珊瑚、鱼类等后生动物，形成一套完整的化能营养为基础的深海生态系统。目前，科学家已经在冷泉生态系统中发现了600多种生物。
冷泉生态系统承载着地球深部碳循环的密码，是研究极端环境生命适应机制、探索新型生物资源的战略要地。开展冷泉生态系统研究是可燃冰等深海资源绿色开发与深海科学研究的最佳切入点。冷泉装置将为冷泉生态系统的研究提供全新的视角和技术手段，加速相关领域的科研进展，为海洋科技领域研究树立新标杆。
科学家解前沿
广州海洋地质调查局科技处科技主管赵斌：广州已两次试采可燃冰
我国南海的可燃冰储量非常丰富，广州海洋地质调查局先后在2017年和2020年成功完成了我国两轮南海海域的可燃冰试采。
广州海洋地质调查局科技处科技主管赵斌介绍，2017年的首轮试采创造了试采时长和产气总量两项世界纪录，第二轮试采刷新了日均产气量和产气总量的世界纪录。这进一步增强了我国在可燃冰科技创新领域的国际“领跑”地位，形成了32项关键技术，研发了12项核心装备，初步构建了深海可燃冰勘查开发技术装备体系。
赵斌表示：“我们的目标是力争尽快实现可燃冰的产业化开采。2017年试采是探索性的直井开采，2020年试采则是试验性的水平井开采，下一步，我们的试采将探索新模式，这也是可燃冰产业化之前的重要一步。”
文/广州日报全媒体记者武威
图/广州日报全媒体记者王维宣 通讯员王沐众、任颖芝
