Geologisk modell av den hypotetiske skorpeforekomsten i Grønlandshavet. Sorte prikker markerer modellerte borehull. Illustrasjon: Raoul Schmitt
Hvordan vil en gruve i dyphavet se ut? Hvilke maskiner og teknologier skal brukes for å knuse den verdifulle malmen og føre den til et produksjonsskip? Hvor omfattende vil en marin gruveoperasjon være, målt i antall maskiner eller tonn per år?
Dette er noen av spørsmålene som må besvares i takt med at en ny marin næring er i ferd med å vokse frem i Norge og andre deler av verden.
Det finnes i dag flere konsepter for hvordan utvinning av henholdsvis mangannoduler, massive sulfidforekomster og polymetalliske skorper kan gjøres, men få har blitt konkretisert og testet i pilot- eller fullskala.
Det byr imidlertid også på muligheter. Muligheter for å utforske nye innfallsvinkler og designe helt nye løsninger, som kan skille seg vesentlig fra maskiner og systemer vi finner i gruver på land.
I norske farvann opptrer havbunnsmineraler som massive sulfidforekomster langs midthavsryggen, og i form av skorper på undersjøiske fjell der forholdene ligger til rette for det.
Blant norske selskaper og forskningsmiljøer har ikke den sistnevnte ressursen fått like mye oppmerksomhet som sulfidene. Like fullt har vi grunn til å tro at skorpene kan representere betydelige forekomster av en rekke metaller som har mangfoldige bruksområder og strategisk betydning.
Et verktøy for industri og myndigheter
Ved Institutt for geovitenskap ved NTNU har PhD-stipendiat Raoul Schmitt i drøyt to år arbeidet med å undersøke hvordan en gruveoperasjon basert på utvinning av skorper kan se ut.
– Mitt arbeid er ment å være et verktøy som kan hjelpe industrien og relevante myndigheter med å ta de riktige teknologiske valgene for gruvesystemer og maskiner, forteller Schmitt.
Dette er første gangen Schmitt jobber innenfor dyphavsmineraler, men han har fått erfaring fra den peruanske gruveindustrien, og studert gruvedrift og ressursteknikk ved universiteter i Tyskland, Belgia, Frankrike og Sverige.
Doktorgradsarbeidet forsøker å inkludere i dypmarin mineralutvinning, den helhetstenkningen som har kjennetegnet landbasert mineralindustri.
Doktoravhandlingen består – noe forenklet – av tre deler:
- En økonomisk blokkmodell av en teoretisk skorpeforekomst i Grønlandshavet
- Designstudie av gruvemaskiner / et gruvesystem
- En strategisk gruveplan med basis i de to første delene
Den første delen er gjennomført. En økonomisk blokkmodell er en geologisk modell der en også har tatt høyde for hvordan utvinningen og prosesseringen skal gjøres og hvilke kostnader de fører med seg, samt priser på metallene som forekomsten inneholder.
– Det var nødvendig å starte med en modell av en skorpeforekomst, for deretter å kunne utlede designkravene til maskinene som skal utvinne forekomsten, forklarer stipendiaten.
Schmitt understreker at modellen han har bygget er hypotetisk og baserer seg på mange antakelser. Årsaken er at vi har et stort kunnskapsgap med hensyn på geologi, teknologi og miljø.
En «kunstig» forekomst
Modellen skisserer deler av et undersjøisk fjell som befinner seg i ett av områdene som Energidirektoratet har foreslått å lyse ut i første konsesjonsrunde: Grønlandshavet. Fjellet ble valgt fordi det har detaljerte dybdedata (batymetriske data), og fordi det har blitt samlet inn skorpemateriale herfra.
– Med gode batymetriske data var jeg i stand til å bestemme helningen på og rundt fjellet. Helningen er styrende for tilstedeværelsen av metallrike skorper.
For å danne skorper, kreves nemlig «rene» fjellskråninger som ikke er dekket av sedimenter. Ifølge Schmitt forteller den vitenskapelige litteraturen oss at helningen bør være minst 20 °.
Skorper er resultatet av saktevirkende kjemiske prosesser (geoforskning.no: «Verdenshavene skjuler forgylte fjell»). I Norskehavet er det fastslått at skorpene har vokst ca. 10 mm per million år. Dette innebærer at vi kan forvente tykkere skorper jo lenger bort fra midthavsryggen (som kontinuerlig danner ny havbunn) vi beveger oss. Et undersjøisk fjell som ble dannet for 20 millioner år siden, vil i teorien ha 20 cm tykke skorper.
Schmitt antok i modellen at forekomsten var kjerneboret med en avstand på 100 meter mellom hvert borehull. Borehullene ble fylt (lognormalfordelt) med informasjon om forventede skorpetykkelser, tetthet og metallinnhold basert på litteraturdata. Andre inputdata i modellen var for eksempel informasjon om gruveeffektivitet og metallurgisk utvinningsgrad. Til sist la han inn priser for ulike mulige metallurgiske produkter.
Resultatet var en økonomisk blokkmodell, altså en modell som deler opp den geologiske modellen i blokker av en viss størrelse (her 5 meter ganger 5 meter med variabel tykkelse), der hver blokk har en viss dollarverdi. Verdiene er basert på alle forutsetninger, inkludert forventede kostnader ved en gruveoperasjon. En lignende tilnærming har tidligere blitt gjort for å vurdere SMS-forekomster.
Som nevnt er «forekomsten» teoretisk av natur. Vi kjenner ikke den faktiske utbredelsen av skorper på fjellet, annet enn de få prøvene som har blitt samlet inn. Men modellen kan likevel være verdifull, både for Schmitts videre arbeid og for industrien.
Må klare bratt terreng
– Det var aldri et mål å estimere en ressurs. Modellen fungerer som et verktøy for å forstå hva slags egenskaper en maskin som skal utvinne skorpene må ha, forklarer Schmitt.
Han påpeker at én av de viktigste egenskapene er at maskinene kan operere på svært store helningsgrader. Modellen viser nemlig at store deler av skorpene potensielt opptrer på bratte partier med helninger over 50 °. Om dette blir for krevende for en viss type maskin, vil betydelige deler av forekomsten kunne bli liggende uutnyttet.
Stipendiaten har også gjort tilsvarende analyser ved flere forekomster i Stillehavet, der datagrunnlaget per i dag er mer robust med flere tilgjengelige skorpeprøver. Dette arbeidet demonstrerte at i tillegg til evnen til å operere på svært bratte partier, er det også avgjørende i et lønnsomhetsperspektiv at maskinene har høy utvinningseffektivitet, altså at de klarer å samle inn en høy andel av den tilgjengelige malmen.
Som nevnt er det på global basis allerede utviklet mange marine gruvemaskiner på konseptstadiet.
– Jeg har registrert at mange av maskinene har mange likheter. For eksempel ser de fleste konsepter ut til å basere seg på at maskinene skal være beltegående.
Schmitt tror ikke nødvendigvis dette er den rette løsningen for utnyttelse av skorpeforekomster, av hensyn til den krevende topografien i norske dyphavsområder. Trolig er de bedre egnet for innsamling av noduler som vi blant annet finner på dyphavsslettene i Stillehavet.
Kanskje vil en maskin som kan flyte i vannsøylen, som en fjernstyrt undervannsfarkost (ROV), være bedre egnet? Eller en maskin som kan krype og assisteres av en vinsj? Det må også spesifiseres hvordan malmen skal brytes. Skal skorpene knuses opp i små biter, eller kan de høvles av fjellet?
Ettersom arbeidet med utvikling av gruvesystemer i dyphavet fortsatt er på et tidlig stadium, er det rom for kreativitet hva gjelder tilnærmingsmåter. Kanskje er det ikke bare maskinene, men også terrenget som bør designes? Stipendiaten har hentet inspirasjon fra dagbrudd på land i idémyldringen:
– Jeg har blant annet diskutert med mine veiledere om det å tilpasse terrenget, altså å skjære steg eller benker inn i fjellet, kan gjøre det lettere for maskinene å operere langs bratte helninger, påpeker Schmitt.
Med prosessering i bakhodet
For leteselskapene som fatter interesse for skorpeforekomster, byr Schmitts økonomiske blokkmodell også på en anbefaling vedrørende prosessering.
Det er forventet at de norske skorpeforekomstene inneholder store mengder av blant annet mangan, vanadium og kobolt. Men også en rekke sjeldne jordartsmetaller (REE) vil trolig være til stede. Målt i kroner og øre kan denne gruppen metaller faktisk utgjøre nærmere 50 prosent av bruttoverdiene i skorpene, i henhold til Schmitts blokkmodell.
Implikasjonen er at et selskap som ønsker å utvinne skorper, bør forsikre seg om at de vil være i stand til å kunne separere ut REE under prosesseringen av malmen. Om de ikke lykkes med dette, kan utvinning av skorpeforekomster vise seg å bli en ulønnsom geskjeft.
Faktisk indikerer modellen at de fleste blokkene i den hypotetiske forekomsten vil være ulønnsomme om det ikke genereres inntekter fra salg av REE.
Prosessering av REE er teknologisk krevende. Ettersom Kina nærmest har hatt monopol på produksjonen (både utvinning og prosessering) de siste tiårene, har kompetansen i den vestlige verden forvitret og må bygges opp på ny.
I norsk sammenheng er det verdt å merke seg at selskapene som har utvinningsrettigheter ved Fensfeltet, Europas største dokumenterte forekomst av REE, nå deltar i flere EU-prosjekter der målet er økt forståelse for hvordan vi kan prosessere sjeldne jordartsmetaller. Kanskje kan denne forskningen også være overførbar til dyphavsmineraler.
Nytte i konseptuelt gruvesystem
Det er ingen overdrivelse å kalle Raoul Schmitts avhandling et nyskapende arbeid. Stipendiaten har laget en økonomisk blokkmodell for en forekomst som kanskje ikke eksisterer, og skal basert på modellen utvikle kriterier og design for gruvemaskiner som heller ikke eksisterer i dag.
Stipendiaten påpeker imidlertid at han har dratt nytte av å se til utviklingen som foregår i andre land, og en del av arbeidet hans har gått ut på å overføre kunnskap til Norge og norske forhold.
Det skal nevnes at én av hans veiledere, Dr. Maxime Lesage, jobber i det norske leteselskapet Green Minerals, og Schmitt har hatt stor nytte av ekspertisen og dataene som de har kunnet tilby.
Men det er altså ikke forventet at Schmitt skal designe et «nøkkelferdig» gruvesystem for norske skorpeforekomster – hans arbeid vil heller gi verdifull informasjon om hvordan dette bør se ut på et konseptuelt nivå. Og det vil være et stort skritt fremover for en mulig ny, marin næring i Norge.
Raoul Schmitts doktorgradsarbeid utgjør en del av NTNU-prosjektet TripleDeep, som vil tette eksisterende kunnskapshull og undersøke om utvinning av kritiske mineraler i dyphavet kan gjøres på en bærekraftig måte. Prosjektgruppen er tverrfaglig sammensatt og består av deltakere som jobber med gruveteknikk, historie, marinbiologi og økonomi. Prosjektleder i TripleDeep er Professor Mats Ingulstad. Raouls arbeid veiledes av Professor Steinar Ellefmo (NTNU) og Dr. Maxime Lesage (Green Minerals).
Store ressurser i norske skorper
Ifølge Sokkeldirektoratets ressursvurdering (januar 2023) for havbunnsmineraler er det prospektive arealet for manganskorper anslått å dekke i overkant av 8 500 kvadratkilometer.
De samlede, forventede tilstedeværende ressursene er:
- 3,1 millioner tonn kobolt
- 230 000 tonn litium
- 24 millioner tonn magnesium
- 8,4 millioner tonn titan
- 1,9 millioner tonn vanadium
- 185 millioner tonn mangan
- 19 000 tonn gallium
- 73 000 tonn niob
- 15 000 tonn hafnium
- 80 000 tonn wolfram
og videre betydelige volumer av sjeldne jordartsmetaller (REE) i form av
- 56 000 tonn scandium
- 300 000 tonn yttrium
- 370 000 tonn lantan
- 1,7 millioner tonn cerium
- 100 000 tonn praseodym
- 420 000 tonn neodym
- 23 000 tonn europium
- 100 000 tonn gadolinium
- 15 000 tonn terbium
- 86 000 tonn dysprosium
Det er selvfølgelig nyttig å sette tallene i perspektiv. For flere av metallene tilsvarer estimatet den globale produksjonen i flere år. For eksempel var verdensproduksjonen av kobolt og litium i 2023 ca. 200 000 tonn. For sjeldne jordartsmetaller var den samlede produksjonen i 2023 drøyt 350 000 tonn.
Kilder: Sokkeldirektoratet, Our World in Data, USGS, Visual Capitalist
