作者:冯丽妃 来源: 中国科学报 发布时间:2024/6/3 8:19:39
选择字号:
以“奋斗者”姿态,勇攀深海“珠峰”

“奋斗者”号载人舱完成电子束焊接。金属所供图

“奋斗者”号采集的深渊样本。深海所供图

2024年3月28日,“探索一号”科考船携“奋斗者”号靠港。丁典/摄

赵洋在“奋斗者”号上操控作业。沈阳自动化所供图

国际首次环大洋洲载人深潜科考中,邓玉清(中)、施纳贝尔(右)等科考队队员在载人球舱内。深海所供图

■本报记者 冯丽妃

2020年11月10日清晨,随着太阳从太平洋上升起,一条胖乎乎的“绿色大头鱼”跃入大海,向太平洋深处潜去。

3个多小时后,“绿色大头鱼”抵达太平洋底部的“地球第四极”——马里亚纳海沟“挑战者深渊”底部,下潜深度达10909米。

这条“鱼”就是我国首艘全海深载人潜水器“奋斗者”号。

万米深渊,曾经被认为是海洋科考的“禁区”。而挑战者深渊是地球最深处马里亚纳海沟的“极地”,其深度相当于“珠峰叠加华山”。对这片漆黑、高压、低温和地质运动活跃的“深海荒漠”的研究,是海洋研究最前沿的领域之一。

“奋斗者”号的成功坐底,创造了中国载人潜水器的新纪录,标志着我国在全海深载人深潜领域达到世界领先水平,让中国成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家,也让人类探索万米深渊拥有了一个强大的新平台。

“奋斗者”号进军万米深渊的背后,有一支国家战略科技力量发挥了关键作用。这些“奋斗者”们勇攀深海科技“珠峰”,让中国人在万米深海有了新坐标。

1 关键技术“护航”万米深潜

“亲爱的观众们,万米的海底妙不可言,希望我们能够通过‘奋斗者’的画面向大家展示万米的海底。”

2020年11月10日8时12分,随着“奋斗者”号成功坐底马里亚纳海沟最深处,“奋斗者”号副总设计师、中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称沈阳自动化所)研究员赵洋与两名潜航员第一时间通过水声通信系统向全国观众直播展示万米海底世界。

亲手操控潜水器抵达万米深渊那一刻,赵洋心潮澎湃,内心的自豪感油然而生。

从全球范围看,万米载人深潜是一道很难逾越的关口。想要进入“万米俱乐部”,首先要跨过核心技术创新的门槛。

这些创新,教科书上没有标准答案,必须通过海洋科技自立自强实现。

为了打造中国全海深载人深潜的“国之重器”,“十三五”期间,中国科学院作为业主单位、研制任务核心单位,组织10余家院属单位全面参与了“奋斗者”号的研制,通过跨系统、跨单位、跨部门的大团队合作,艰苦攻关,突破了一系列关键核心技术。

在通信方面,中国科学院声学研究所(以下简称声学所)创建的水声通信系统,是“奋斗者”号与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁,可以实现潜水器从万米海底至海面母船的文字、语音及图像实时传输。

“‘奋斗者’号的声学系统,突破了全海深难关,为其全海深范围内的持续巡航作业提供了可靠的技术保障。”声学所高级工程师刘烨瑶说。

在万米深海,水压约合1000个标准大气压,相当于“2000头非洲象踩在一个人的背上”。

在抗高压方面,中国科学院金属研究所(以下简称金属所)研究员、全海深载人潜水器载人舱项目负责人杨锐带领团队,独创新型钛合金材料Ti62A,破解了载人舱材料所面临的强度、韧性和可焊性方面的难题,为世界上第一个可搭载3人的全海深载人球形舱提供了安全屏障。

潜水器抵达万米深渊的目的可不是“到此一游”,而是需要完成岩石、生物抓取,沉积物取样等精准科考作业。在操控系统方面,沈阳自动化所的研究人员打造了灵活的机械手、智能化控制系统和电动观测云台。

沈阳自动化所研究员、万米机械手项目负责人张奇峰带领团队为“奋斗者”号打造了两套机械手。它们都具有7个关节,可实现6自由度运动控制,持重能力超过60千克,填补了我国应用全海深液压机械手开展万米作业的空白。

“包括这双‘手’在内,‘奋斗者’号的整个控制系统实现了在线智能故障诊断、容错控制以及海底自主避碰等功能,提高了潜水器的智能程度和安全性。特别是水平面和垂直面航行控制性能指标,达到国际先进水平。”同时担任潜水器控制系统负责人的赵洋说。

对载人潜水器来说,不仅要“下得去”,还要“上得来”。

在浮力方面,中国科学院理化技术研究所研究员张敬杰带领团队,打破国际封锁,破解了长期以来国产固体浮力材料强度差、密度高的关键技术难题,制备出具有高安全系数的万米级固体浮力材料并实现批量生产,为潜水器顺利下潜和安全上浮提供了保障。

这些关键技术的创新突破,无不是经过一次次的失败、改进而取得的。

在中国科学院深海科学与工程研究所(以下简称深海所)深海视频技术研究室,装满了废弃试验品的纸箱子见证了创新之路的艰难。

这些“废弃物”是研制深海高清摄像机和照明装备过程中留下的。为了破解在海底高压环境中工作的难题,深海所视频室高级工程师杨景川和张兵自2018年加入攻关团队以来,反复试错,为“奋斗者”号装配了7台自主创新的4K超高清摄像机和照明装备,让这条“鱼”有了观察海底世界的“眼睛”。

像这样“摸着石头过河”的创新还有很多,如能量密度进一步提升的锂电池、总效率达到世界领先水平的海水泵、可实时在线监测的潜浮速度及球壳应力……一项项关键技术的突破让“奋斗者”号部件的国产化率超过96.5%。

2020年11月28日,习近平总书记致信祝贺“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试并胜利返航。习近平总书记在贺信中指出,“‘奋斗者’号研制及海试的成功,标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力,体现了我国在海洋高技术领域的综合实力。”

2 勇往直“潜”的科学“信使”

“可上九天揽月,可下五洋捉鳖。”这是几代中国人的梦想。

然而,海洋中深度大于6000米的海沟和断裂带区域,即深渊或海斗深渊,压力大、温度低、黑暗无光、构造活跃、地震密集,是地球上最神秘、最难企及的极端环境之一。人类对这些深海区域的了解程度甚至低于月球表面。

“奋斗者”号的到来,让中国的科学“信使”在万米深渊勇往直“潜”。

深海所研究员贺丽生是我国首位到达“地球第四极”的女科学家。2020年11月19日,贺丽生与深海所潜航员叶延英、王治强一起搭伴下潜。她在闹铃声中早早起床,带着棉坎肩钻进了“奋斗者”号的载人舱。

贺丽生是研究深海生命系统的科学家。下潜过程中,她跪坐在靠近载人舱底部的一个小舷窗边上持续进行观察。随着舱内显控面板上的深度数字逐渐增大,她看到舷窗外的颜色逐渐加深。下潜到200米,“白昼”渐渐染上“暮色”。

“奋斗者”号载人潜水器采用无动力下潜的方式进行下潜,下潜速度约为每秒1米,到达万米深海底要用3个多小时。这就像坐在一个只有微弱灯光的小电梯里下降3个多小时。长时间跪坐工作导致贺丽生腿脚有些发麻,而舱内空间有限,只能小幅度活动身体。整个万米深潜过程中,下潜和上浮加起来要用6个多小时,再加上6个小时的海底工作时间,以及下潜前的准备时间,至少有14个小时都在潜水器里。

回到母船,贺丽生还要处理采集的样本。虽然很辛苦,但她乐此不疲。她说:“对科学工作者来说,获得第一手资料非常重要。再高清的照相机、再高清的录像机,也无法代替自己到底下去看、去体会、去观察。”

不仅如此,载人深潜科考队还要直面海上突如其来的风云变幻。赵洋记得,在马里亚纳海沟执行下潜任务期间,狂风暴雨掀起惊涛骇浪,风力达每秒20多米,排水量6000多吨的“探索一号”像蛋壳一样在海上随波摇晃。船舱内,杯子、书籍、眼镜盒哗啦啦甩落在地上,一片狼藉。

“一次风暴过后,后甲板上数千公斤的压载铁框硬是被海浪拍击得移了位置,船艏的一个舱门被拍得变了形。”赵洋回忆道。

即便如此,他们依然和恶劣天气“斗智斗勇”,每4个小时收听一次天气预报,寻找下潜窗口。“如果有强气旋逼近,我们就要根据台风的路径和速度随时调整下潜计划,尽量在它的边缘区域选择合适的下潜点,保证不错过任何一个潜次。”深海所研究员、科学研究部主任杜梦然说。

杜梦然回忆,在马里亚纳海沟海试期间,载人深潜科考队曾遇到过被3个台风夹击的危险。但他们没有退缩,而是与台风“斡旋”,提前作出预判后,在台风边缘区域作业,冒着风险实现了更高效的航次运维。

3 坐着“时光机”打开“新世界”大门

一路走来,中国万米载人深潜的发展不仅带动了新工艺、新技术、新材料的改革进步,而且填补了人类在深海地质、生物、化学等诸多方面的知识空白。

杜梦然2014年博士毕业进入深海所,那时所里还没有自己的科考船,她和同事租借小渔船出海做实验。如今的她已经随载人潜水器下潜深海20余次。每次她关闭舱门跟着潜水器下潜时,总觉得像是要“坐着时光机,打开未知世界的大门”。

人迹罕至的深渊海底是宁静的。随着潜水器坐底,由沉积物形成的扬尘弥漫,并追逐着潜水器前行。这让杜梦然深感深渊的神秘与庄严。

但宁静的深渊并不寂寞,反而是生命繁荣生长的乐园。在这里,各类物种在深渊高压、寒冷、黑暗的环境里适者生存,各显神通。

水下8000米左右的深渊狮子鱼是人类迄今认识的生境最深的鱼类。它们头大尾小、没有鱼鳞、皮肤透明。它们不仅失去了视觉能力,鱼骨也从硬骨变成了软骨,薄且具有弯曲能力,头颅则是半封闭的,从而实现内外压平衡。

其他海底生物也进化出许多“独门技能”。例如,海参会把个体缩小、通体白化透明,甚至把支撑躯干的骨针都退化掉;深渊微生物更是练就一身“绝处逢生”的本领,可以降解难降解型的有机质,甚至将之转化为有毒金属为己所用。

趴在“奋斗者”号的舷窗前,杜梦然的全部注意力都给了眼前的海底世界。每看到一个生物或地质现象,她的大脑就会高速运转冒出一连串的问题:它为什么会这样?这是怎么形成的?背后的机制是什么?这些问题引导她做进一步的精细调查和取样,开展实验室分析,最终找到答案。

“这个过程非常有意思,科学的乐趣就在这里。”杜梦然说。

贺丽生指出,地球70%以上的面积是海洋,海洋面积是陆地面积的2.4倍。“目前,人类对海底深渊的了解非常有限,深渊之下存在的许多谜题等待我们破解。”

例如,深潜科考队在万米海底的水体、沉积物甚至是深渊生物的体内都发现了微塑料、持久性有机污染物和甲基汞等污染物。在马里亚纳海沟5108米~10909米表层沉积物中,微塑料颗粒含量达到每升200个~2200个。这说明污染已抵达世界海洋的最深处,迫切需要开展相关运输途径、降解机制、生态毒理学和环境修复等研究。

4 共拓深渊科考新疆域

深渊海底有着无尽的奥秘等待人类探索,“奋斗者”号让中国科学家拥有了一张自由往返万米深渊的“通行证”。

截至2024年5月,“奋斗者”号投入使用以来,累计下潜244次,其中一半潜次抵达6000米以下的深渊,万米深渊潜次达25次,成功让32人到达万米海底。

“奋斗者”号的乘客中,不乏国际友人。

新西兰国家水资源和大气研究所研究员卡琳·施纳贝尔是“奋斗者”号的首位国际乘客。她认为:“‘奋斗者’号是一台了不起的装备,给世界带来了科研机遇。”

2022年,在中国科学院国际伙伴计划项目支持下,深海所牵头发起实施“全球深渊深潜探索计划”(以下简称“全球深渊计划”),开启了以中国为主导的深渊科考国际合作新模式。

同年10月到次年3月,深海所组织国际首次环大洋洲载人深潜科考。“奋斗者”号搭乘“探索一号”母船,历时157天,完成了2.2万多海里的大洋洲探索之旅,先后在3个深渊——克马德克海沟、蒂阿曼蒂那海沟、瓦莱比-热恩斯深渊开展深潜综合科考,采集了丰富的深渊宏生物、岩石、结核、沉积物和水体样品,为深入了解深渊环境、深渊生命演化提供了重要支撑。

这一航次中,施纳贝尔和深海所潜航员邓玉清成为人类历史上首次到达克马德克海沟最深点的女性。“任何书本上的知识都无法与眼睛看到的体验相提并论。看着光线一点点消失,亲眼看到深海海底。细小的沉积物上布满了‘足迹’,我们在海底和水中看到了很多小生物,其中许多物种是全新的。”施纳贝尔说。

此后,随着“全球深渊计划”稳步推进,深海所的国际合作“朋友圈”不断扩大。2024年2月8日到3月28日,深海所牵头组织实施首次中国-印度尼西亚爪哇海沟联合深潜科考航次任务。历时50天的航次中,“奋斗者”号成功下潜7178米,创下印尼深海下潜新纪录,获得一批宝贵的大型底栖生物、岩石和沉积物等样品,发现两处活跃的低温热液区,为深入理解爪哇海沟的特殊地质构造活动、生物多样性、地质生命协同演化等提供了重要支撑。

如今,深海所已与新西兰、日本、印尼、智利等国家的研究机构和科研人员建立合作,创纪录地完成了全球5条万米级深渊海沟的载人深潜科考,不断拓宽我国深渊深潜科考新疆域。

杜梦然说:“做海洋研究一定要有海纳百川的胸怀和理念。未来,我们希望有更多国家的科学家加入‘全球深渊计划’,形成一个小核心、大网络的深渊科学团队,共同构建人类命运共同体。”

①海百合

②海参

③狮子鱼

①②③为“奋斗者”号拍摄到的深渊生物。深海所供图

《中国科学报》 (2024-06-03 第4版 专题)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
野外回归的墨脱百合在原生地首次开花 科学家创有机小分子催化新纪录
科学家欲在脆弱冰川周围建屏障 7月福利!科学网APP论文&基金最新活动
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文