人類在海洋中居住的未來正在威爾士和英格蘭邊境的一個廢棄采石場中形成。在那里，海洋勘探組織 Deep 開始了一項為期多年的探索，使科學家能夠在深達 200 米的海底生活數(shù)周、數(shù)月甚至數(shù)年。

“圣克羅伊島的 Aquarius Reef Base 是 1987 年安裝的最后一個棲息地，大約 40 年來沒有太多破土動工，”Deep 人類潛水員表演負責人 Kirk Krack 說?！拔覀冋谂⒑Ｑ罂茖W和工程帶入 21 世紀?！?/p>

Deep 的議程今年有一個重要的里程碑——開發(fā)和測試一個名為 Vanguard 的小型模塊化棲息地。這個可移動的加壓水下避難所能夠容納多達三名潛水員，為期一周左右，將成為通往更永久的模塊化棲息地系統(tǒng)（稱為 Sentinel）的墊腳石，該系統(tǒng)將于 2027 年推出?！暗?2030 年，我們希望看到人類在海洋中永久存在，”克拉克說?，F(xiàn)在，由于先進的 3D 打印-焊接方法可以打印這些大型居住結構，所有這些都成為可能。

這樣的存在將如何有利于海洋科學？Krack 為我計算了一下數(shù)字：“目前在 150 到 200 米的潛水中，你只能完成 10 分鐘的工作，然后是 6 小時的減壓。借助我們的水下棲息地，我們將能夠在 30 天內以更短的減壓時間完成 7 年的工作。超過 90% 的海洋生物多樣性生活在 200 米深的海岸線上，而我們只了解其中的 20% 左右。他補充說，了解這些海底生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境是解決氣候難題的關鍵部分：海洋吸收了近四分之一的人為二氧化碳和大約 90% 的人類活動產(chǎn)生的多余熱量。

水下生物今年獲得批準

Deep 正在尋求建造一個水下生命支持基礎設施，該基礎設施不僅具有模塊化棲息地，而且還為將要使用它們的科學家提供培訓計劃。長期在水下居住涉及一種稱為飽和潛水的特殊類型的活動，之所以這樣命名，是因為潛水員的組織被氮氣或氦氣等氣體飽和。它已經(jīng)在海上石油和天然氣領域使用了幾十年，但在科學潛水中并不常見，除了相對少數(shù)有幸在水瓶座待過的研究人員之外。Deep 希望使其成為海底研究人員的標準做法。

該階梯的第一級是 Vanguard，這是一個可快速部署的探險式水下棲息地，大小與集裝箱相同，可以由船只運輸和補給，可容納三個人，深達約 100 米。它將于 2025 年第一季度在威爾士切普斯托郊外的一個采石場進行測試。

這里在插畫師的渲染圖中看到的 Vanguard 棲息地將足夠小，可以運輸，但能夠在最大 100 米的深度容納三個人。

該計劃是能夠在一周左右的時間將 Vanguard 部署到任何需要的地方。潛水員將能夠在海底工作數(shù)小時，然后回到模塊中用餐和休息。

Vanguard 的新穎之處之一是它在權力方面非凡的靈活性。目前有三種選擇：當部署在靠近海岸時，它可以通過電纜連接到使用當?shù)乜稍偕茉吹年懮吓渌椭行?。在更遠的海上，它可以使用來自浮動可再生能源農(nóng)場和燃料電池的供應，這些燃料電池將通過臍帶連接為 Vanguard 供電，或者可以由包含多個電池的水下儲能系統(tǒng)供電，這些電池可以通過海底電纜進行充電、回收和重新部署。

呼吸氣體將儲存在海床的外部罐中，并包含氧氣和氦氣的混合物，具體取決于深度。在緊急情況下，飽和潛水員將無法游到水面，而不會患上危及生命的減壓病。因此，Vanguard 以及未來的 Sentinel 也將擁有足以在海底相鄰的外部吊艙中提供 96 小時生命支持的備用電源。

今年從 Vanguard 收集的數(shù)據(jù)將有助于為 Sentinel 鋪平道路，它將由不同大小和功能的 Pod 組成。這些 Pod 甚至可以設置為不同的內部壓力，以便不同的部分可以執(zhí)行不同的功能。例如，實驗室可以在當?shù)販y深壓力下分析自然環(huán)境中的樣本，但除此之外，還可以設置一個 1 個大氣壓的腔室，潛水器可以在其中?？?，游客可以觀察棲息地，而無需平衡當?shù)貕毫Α?/p>

在 Deep 看來，典型的配置是容納 6 人，每個人都有自己的臥室和浴室。它還將擁有一套科學設備，包括用于進行基因分析的全濕實驗室，無需將樣本運送到上部實驗室進行分析，從而節(jié)省了數(shù)天時間。

“到 2030 年，我們希望看到人類永久存在于海洋中，”該項目的一位負責人說

Sentinel 配置設計為在需要重新補給之前使用一個月。氣體將通過水面浮標的臍帶連接進行加注，食物、水和其他補給品將在每 28 天計劃的船員換班期間進行一次。

但人們將能夠在 Sentinel 中生活數(shù)月，甚至數(shù)年。“一旦你飽和了，你在那里呆 6 天還是 6 年都沒關系，但由于船員換班，大多數(shù)人會在那里呆 28 天，”克拉克說。

3D 打印和焊接的交匯點

這是一個非常雄心勃勃的愿景，Deep 得出結論，只有通過先進的制造技術才能實現(xiàn)。Deep 的制造部門 Deep Manufacturing Labs （DML） 提出了一種創(chuàng)新方法來構建棲息地模塊的壓力殼。它使用機器人將金屬增材制造與焊接相結合，這一過程稱為電弧增材制造。使用這些機器人，可以像 3D 打印一樣構建金屬層，但這些層通過使用金屬惰性氣體焊炬焊接在一起。

在 Deep 位于英格蘭蒂德納姆 （Tidenham） 的一個前采石場的運營基地，資源包括兩艘 Triton 3300/3 MK II 潛艇。其中一只出現(xiàn)在 Deep 采石場的浮動“島嶼”碼頭。

在參觀 DML 期間，先進制造工程負責人 Harry Thompson 說：“我們位于焊接和增材制造工藝之間的灰色地帶，因此我們遵循焊接規(guī)則，但對于壓力容器，我們 [也] 遵循適用于增材制造組件的應力消除流程。我們還通過無損檢測對所有部件進行測試。

每個機器人手臂的工作范圍為 2.8 x 3.2 米，但 DML 通過一個名為 Hexbot 的概念來提升這一區(qū)域。它基于六個機械臂，這些機械臂經(jīng)過編程，可以協(xié)同工作，以創(chuàng)建直徑達 6.1 米的棲息地外殼。創(chuàng)建船體的最大挑戰(zhàn)是在增材制造過程中管理熱量，以防止零件在制造過程中變形。為此，DML 依賴于耐熱鋼的使用和非常精確優(yōu)化的工藝參數(shù)。

長期居住的工程挑戰(zhàn)

除了制造業(yè)之外，在水下 200 米處保持人們的快樂和活力這項棘手的工作還面臨著其他獨特的挑戰(zhàn)。其中最迷人的之一圍繞著氦氣。由于其在高壓下的麻醉作用，人類不應在約 60 米以下的深度吸入氮氣。因此，在 200 米處，棲息地中的呼吸混合物將為 2% 的氧氣和 98% 的氦氣。但是，由于氦氣的導熱性非常高，“我們需要將氦氣加熱到 31-32 °C，才能獲得正常的 21-22 °C 內部溫度環(huán)境，”Deep 工程總監(jiān) Rick Goddard 說。“這會產(chǎn)生潮濕的空氣，因此多孔材料成為霉菌的滋生地”。

此外，還存在許多其他與材料相關的挑戰(zhàn)。這些材料不能排放氣體，并且必須隔音、重量輕，并且在高壓下結構合理。

Deep 的試驗場是英格蘭蒂德納姆的一個前采石場，最大深度為 80 米。 

此外，還存在許多電氣挑戰(zhàn)。“氦氣可以高度肯定地破壞某些電子元件，”Goddard 說?！拔覀儾坏貌粚⒃O備拆成碎片，更換芯片，更換 [印刷電路板]，甚至設計我們自己的不會排放氣體的 PCB?！?/p>

電力系統(tǒng)還必須適應各種能源組合，例如漂浮式太陽能發(fā)電廠和水面浮標上的燃料電池。儲能設備帶來了重大的電氣工程挑戰(zhàn)：氦氣會滲入電容器，并在減壓過程中試圖逸出時破壞電容器。電池在高壓下也會出現(xiàn)問題，因此它們必須被安置在棲息地外的 1 個大氣壓容器或充滿油的塊中，以防止內部出現(xiàn)壓差。

有可能在海洋中生活數(shù)月或數(shù)年嗎？

當你試圖成為海洋界的 SpaceX 時，自然會質疑這種雄心壯志的可行性。Deep 能夠堅持下去的可能性有多大？至少有一位頂級權威約翰·克拉克 （John Clarke） 是信徒?！拔覍糜谑诸^問題的工程方法和專業(yè)知識的質量感到震驚，我對 DEEP 如何應用新技術充滿熱情，”美國海軍實驗潛水部隊的首席科學家克拉克說?！八麄兊倪M步遠遠超出了預期......我很高興支持 Deep 尋求擴大人類對海洋的擁抱。