السلف في الهياكل الأساسية تحت الماء لتطبيقات بحرية وساحلية

إن التقدم في الهياكل الأساسية تحت المياه يعيد تشكيل المشهد العام للتطبيقات البحرية والساحلية، مما يتيح إدارة الموارد على نحو أكثر فعالية، وتوفير حماية بيئية أقوى، وتعزيز السلامة البحرية، حيث إن محيطات العالم تغطّى أكثر من 70 في المائة من كوكب الأرض، وهي حرجة بالنسبة للتنظيم العالمي للمناخ والأمن الغذائي والنشاط الاقتصادي، ومع ذلك فإن البيئة المحيطة بالمياه الجوفية تظل من أكثر المجالات تحدياً بالنسبة للهندسة والتكنولوجيا، ومن منشآت الطاقة البحرية وشبكات كابلات المغمورة تحت البيئة

التطورات التكنولوجية الأخيرة

وقد شهد العقد الماضي زيادة في التكنولوجيات التي تمتد من نطاق القدرة البشرية على الوصول والاستشعار تحت الموجات، وتشمل المجالات الرئيسية نضج المركبات ذاتيا تحت الماء، ونشر شبكات الاستشعار الكثيفة، وإنشاء وصلات اتصالات أكثر قدرة تحت سطح الماء، وتتيح هذه الأدوات بصورة جماعية الرصد المستمر في الوقت الحقيقي للنظم الإيكولوجية البحرية، وصحة الهياكل الأساسية، وحركة النقل البحري - وهي معلومات حيوية لصنع القرار التشغيلي والتخطيط الطويل الأجل.

شبكات الاستشعار والرصد تحت الماء

وقد تطورت أجهزة الاستشعار الحديثة تحت الماء إلى أبعد من مجرد أجهزة حرق وأجهزة ضغط، ويمكن لصكوك اليوم أن تقيس مجموعة واسعة من البارامترات - درجة الحرارة، والملوحة، والأوكسجين المذوب، والاضطرابات، والمركبات المغذية، ومستويات الملو ِّث، وحتى التوقيعات الصوتية - وكثير منها مصمم للانتشار الطويل الأجل في قاع البحر.

مركبات تحت الماء المستقلة

(ب) إن مركبات آلية من طراز " أوفلاند " (GLT) قد انتقلت من من منابر تجريبية إلى أفق عاملة، وتحمل مجموعة من أجهزة الاستشعار - متعددة الأحزمة، وأجهزة العزل الجانبية، والكاميرات، والمحللات الكيميائية - ويمكن أن تنفذ البعثات المبرمجة مسبقاً التي تمتد ساعاتها إلى أسابيع، وتستخدم على نطاق واسع لرسم خرائط قاع البحار، وفحص الأنابيب والكابلات، والتقييم البيئي، والمعونة العلمية.

شبكات الاتصالات تحت سطح الماء

وقد كانت الاتصالات الموثوقة تحت الماء منذ فترة طويلة معقدة، إذ أن موجات الراديو لا تبث جيدا في المياه، مما يرغم على الاعتماد على إشارات الصوت، التي لا توجد بها سوى ترددات محدودة، وتخضع للتدخل المتعدد التعاطف والتساهل، غير أن التقدم الذي تحقق مؤخرا في تصميم المورم المائية الصوتية، إلى جانب استخدام نظم الكشف عن الظواهر البصرية والهجينة (العملية الضوئية) تؤدي إلى تحسين معدلات موثوقية البيانات.

الابتكارات في تصميم الهياكل الأساسية

ويجب أن يعالج التصميم المادي للهياكل تحت الماء - المنصات، خطوط الأنابيب، الكابلات، المواسير، الموائل - الظروف البيئية القاسية: ارتفاع الضغط الهيدروكستي، التآكل، التآكل الأحيائي، التحميل الدينامي من الأمواج والتيارات، وتركز الابتكارات الأخيرة على توسيع نطاق الحياة في الخدمة، والحد من الصيانة، والتقليل إلى أدنى حد من التعطل الإيكولوجي.

المواد المقاومة

ولا تزال البذور هي المادة الأساسية للعديد من هياكل المياه الجوفية، ولكنها قابلة للتآكل، كما أن المعاطف المتقدمة - مثل الطلاءات القائمة على التكسين مع المدافن النانوية، والخطوط التي تعمل بالألمنيوم - توفر الآن خصائص حاجزية عالية، بالإضافة إلى أن البوليمرات المسببة للارتباك غير المؤثرة في الوزن غير البنيوي والمكونات الثانوية.

الهياكل النموذجية والتطبيقية

فالنطاقات الصغيرة التي يمكن أن تُصنع وتُستخدم في عمليات التنظيف والنقل والتركيب، وتيسر رفع مستوى وإصلاحات، مثلا، أن تكون نظم إنتاج النفط والغاز في البحر الفرعية مصممة الآن من وحدات قابلة للتبادل - الأشجار، والمتعددات، ووحدات التحكم - التي يمكن استرجاعها واستبدلها باستخدام مركبات تعمل عن بعد، مما يؤدي إلى الحد من وقت السفن والمخاطر التشغيلية.

تصميمات مُلهمة بيولوجية ومناسبة

ويتطلع المهندسون بشكل متزايد إلى حلول الطبيعة، وكثيرا ما يميل سطح جلد القرش إلى الحد من الجر والثبط عن التآكل الأحيائي.() وترمي تصميمات " الشعاب المرجانية " للبنى التحتية في البحار إلى أن تدمج عن عمد الشبهات والعقيدات التي تشجع الاستعمار عن طريق الحياة البحرية، وتدمج بدلا من عزل الهيكل عن النظام الإيكولوجي، وتُدرج بعض الكابلات الجديدة تحت الماء في مواد قابلة للتحلل الأحيائي أو تُطلق أهدافاً منخفضة.

النطاقات الرئيسية للتطبيقات

ويجري تطبيق التكنولوجيات ومبادئ التصميم المذكورة أعلاه على نطاق واسع من القطاعات البحرية والساحلية، وتبرز الفروع الفرعية التالية أبرز مجالات النشاط.

الطاقة المتجددة في المناطق الساحلية

As rapid expansion of offshore wind, and emerging marine energy systems such as tidal turbines and wave energy converters, depend heavily on reliable underwater infrastructure. Foundations must withstand cyclical loads for decades, while dynamic cables connect turbines to offshore substations and then to shore. Floating wind platforms, now entering commercial operation in deep water, require sophisticated mooring and anchoring systems.

الباراولات البحرية والاتصالات السلكية واللاسلكية

إن شبكة الإنترنت العالمية وحركة البيانات تُنقل بالكامل تقريبا بواسطة كابلات الألياف الضوئية تحت سطح البحر - أكثر من ١,٤ مليون كيلومتر منها، وحماية هذه الكابلات من معدات الصيد ومراسي السفن والمخاطر الطبيعية هي تحد رئيسي في الهياكل الأساسية، وتشتمل تصميمات الكابلات الجديدة على مد دروعها، ودفنها باستخدام الخنادق التي تعمل عن بعد، ورصد الحد الأدنى من توتر الكابلات وعمقها.

تربية الأحياء المائية والزراعة البحرية

ويتسع نطاق الزراعة البحرية، بما في ذلك المياه الجوفية، إلى المياه الأكثر تعرضاً، ويحتاج ذلك إلى بنية تحتية قوية: أقلام صغيرة مغمورة، ونظم للصيد، ومصفوفة للرصد، وتشمل الابتكارات استخدام شبكة زراعية عالية الخطورة (HDPE، أو فولاذية ذات معاطف) وتكنولوجيا مضادة للمقاومة للأخطار (الرادفات المائية، والناموسيات) وسلوكها المرتق.

رصد البيئة والسلامة

(ج) توفر المرصدات المحتوية على قنابل ودراسات المسح المرتكز على المركبات بيانات مرجعية لتقييم الأثر البيئي ورصد صحة المناطق المحمية البحرية.() وتشمل شبكات الطوافات في الوقت الحقيقي تسونامي وتدفقات العواصف والبلوغات الضارية الضارة، مما يعطي المجتمعات الساحلية إنذاراً مسبقاً.() وفي القطب الشمالي، يجري نشر أجهزة الاستشعار تحت الماء لتتبع سميك البنى التحتية المحتوية على إشارات متحركة على الجليد.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالسلامة

فمع أي مشروع للبنية التحتية الخارجية، يجب أن تكون الحماية البيئية متكاملة، وليس تفكيرا بعد ذلك، وتشمل الاعتبارات الرئيسية الاضطرابات التي تكتنف الموائل البنفسجية، وتلوث الضوضاء أثناء البناء والتشغيل، وخطر الانسكابات الكيميائية، ووقف تشغيل الأصول في نهاية المطاف، وتحاول الممارسات الحديثة التقليل من آثارها عن طريق الحفر في اتجاه مسدودات الكابلات، واستخدام أدوات الكشف عن الأنواج المنخفضة (خط الغليظة، والأعلام الخفيفة).

التوقعات المستقبلية

وتتجه مسارات البنية التحتية للمياه الجوفية إلى زيادة الاستخبارات والاستقلال والاستدامة، ويجري تطبيق الاستخبارات الفلكية والتعلم الآلي على التخطيط الأمثل لبعثة الاتحاد الأفريقي في فيينا، والتنبؤ بمعدلات التآكل، وتوثيق تحليل بيانات السونار والكاميرات لكشف العيوب، ويجري تطوير التوأم الرقمية - وهي نماذج افتراضية من مجموعات المواد المادية يجري تحديثها باستمرار بواسطة بيانات الاستشعار - من أجل خطوط الأنابيب في منطقة البحر ومزارع الرياح، مما يتيح إمكانية التنبؤ بالمخاطر.

وإلى جانب هذه التحسينات التدريجية، فإن مفاهيم أكثر تحولاً هي في الأفق، إذ أن مراكز البيانات في منطقة البحر التي تحفز التبريد الطبيعي والطاقة المتجددة للمحيطات يجري تجريبها بالفعل مشروع ناتيك التابع لمشروع مايكروسوفت، وقد يؤدي التعدين في أعماق البحار للعقيدات المتعددة الفلزات والقشور إلى خلق أنواع جديدة من الهياكل الأساسية تحت الماء، رغم أن الشواغل البيئية تتطلب تنمية مدروسة ومنظمة للغاية.

ومن الضروري مواصلة الاستثمار في بحوث المواد والآليات وشبكات رصد المحيطات، وستوفر الجهود الدولية التعاونية - مثل النظام العالمي لرصد المحيطات ]، و عقد الأمم المتحدة لعلوم المحيطات من أجل التنمية المستدامة (2021-2030) - أطرا لتبادل المعارف ومواءمة أولويات الحفاظ على الطاقة في جميع أنحاء العالم.

وباختصار، فإن البنية التحتية الحديثة للمياه الجوفية هي أكثر بكثير من الصلب والخرسانة الثابتة، وهي شبكة دينامية غنية بالبيانات، وذكية بشكل متزايد، تدعم النشاط البشري من الساحل إلى السهول الهاوية، وبإدماج أجهزة الاستشعار المتقطعة، والمركبات المستقلة، والمواد الدائمة، وتصميما واعيا للبيئة، فإننا نبني أساسا لاقتصاد أزرق مستدام، وتجعل تحديات استكشاف المحيطات العميقة الوعود وتغير المناخ أكثر وضوحا.