JP2006161531A - メタンハイドレート採鉱用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 メタンハイドレートの採鉱方法として現在考えられている掘削リグを用いる方法が有する数多くの問題点を悉く解決することが可能であって、メタンハイドレートを効率良く安定して採鉱することができるメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供すること。
【解決手段】 地下にメタンハイドレート層が存在する海底面等の地盤上を自走するための移動機構と、前記地盤を掘削してメタンハイドレートを採取するための掘削機構と、該掘削機構により採取されたメタンハイドレートを加熱分解してメタンガスを取り出すための加熱機構と、該加熱機構による加熱により生じたメタンガスを海上基地等の貯蔵場所へと輸送するための輸送パイプと、前記移動機構及び掘削機構に動力を供給する原子炉とを一体的に備えてなり、前記加熱機構の熱源として該原子炉から取り出した熱エネルギーを利用するメタンハイドレート採鉱用ロボットとする。
【選択図】 図１

Description

本発明はメタンハイドレート採鉱用ロボットに関し、より詳しくは原子力エネルギーを利用したメタンハイドレート採鉱用ロボットに関する。

メタンハイドレートは、水分子が作った籠状の立体クラスター構造の中にメタンガスが閉じ込められた物質である。
このようなメタンハイドレートは、低温・高圧の環境下においてのみ安定して存在することができ、深海の海底や永久凍土層の下の地層中に存在することが知られている。
日本近海の深海域の海底下においても、多量のメタンハイドレートが埋蔵されていると推定されており、その埋蔵量は２１世紀の我が国のエネルギー需要をまかなうに充分な量であると考えられている。

現在、メタンハイドレートの採鉱方法としては、海洋における石油や天然ガスの掘削技術を応用することが考えられている。
海洋における石油や天然ガスの掘削は、掘削リグと呼ばれる掘削機器を搭載したプラットホームを用いて行われており、代表的な掘削リグとして、ジャッキアップ型、半潜水型、ドリルシップの３種類が知られている。

しかしながら、このような掘削リグを用いた石油や天然ガスの掘削技術をそのままメタンハイドレートの採鉱に応用するには、以下に述べるような数多くの問題点が存在している。
第一には、深い水深での掘削が必要であるという点である。
日本周辺のメタンハイドレート層は、水深５００ｍ以深の海域にしか存在しておらず、水深８００〜１０００ｍ以上の深い水深領域での掘削が必要となるが、従来の掘削リグをこのような大水深で用いて掘削作業を行うには、多大なコストが必要となる。
第二には、地盤が軟弱で不安定であるという点である。
メタンハイドレート層は海底面下の比較的浅い部分に存在しているが、このような海底面下の浅い部分は、海底面に堆積した物質が固まりきっていない領域であるため、地盤が軟弱で不安定であり、坑井が崩壊し易く安定しないという問題がある。

第三には、高圧下での作業が必要となる点である。
上記した如く、日本周辺のメタンハイドレート層は水深８００〜１０００ｍ以上の深い水深領域に存在しているため、高圧下で困難な掘削作業を強いられるという問題があった。
第四には、強い潮流への対策が必要となる点である。
日本近海でメタンハイドレートの埋蔵が確認されている海域のうち、最も開発が期待されている海域には、海上からの掘削作業に悪影響を及ぼすおそれがある黒潮が定常的に流れているため、潮流対策を採る必要がある。
第五には、メタンガスの取り出し方法である。
メタンハイドレートは天然ガスと異なり固体であるため、掘削してもそれ自身で地上に上がってくることがない。そのため、加熱してメタンをガス化する方法（加熱法）や、減圧してメタンをガス化する方法（減圧法）等が考えられているが、加熱法では熱源となるエネルギーの供給方法が問題となり、減圧法ではメタンハイドレート層全体を減圧することが困難であるという問題がある。

上記した如く、掘削リグを用いる方法をメタンハイドレートの採鉱に応用するためには、超えなければならない数多くの高いハードルがあり、現時点においては実現化が非常に困難であるといわざるを得ない。

一方、海底においてマンガン団塊等の金属資源を採鉱するシステムとして、下記特許文献１記載の開示技術が存在している。
この開示技術は、原子炉を炭鉱機と制御装置の動力源として用い、採鉱されたマンガン団塊等の金属資源を海底貯蔵所に貯蔵することにより、採鉱の作業効率を高めるようにしたシステムである。

しかしながら、この開示技術は、マンガン団塊等の金属資源を採鉱することを目的とする技術であるため、仮にこれをそのままメタンハイドレートの採鉱に応用したとしても、上記した問題点の全てを解決することはできないものであった。
第一に、このシステムでは、原子炉を搭載した台車と複数の採鉱機を別々に設けているなど、システム全体がコンパクトに一体化されていないため、軟弱で不安定な地盤上での作業には適していない。
第二に、採取対象がマンガン団塊等の金属資源であるため、上記したメタンハイドレートからのメタンガスの取り出し方法に関わる問題点については何ら解決できる機能を有していない。
このように、特許文献１の開示技術は、あくまでもマンガン団塊等の金属資源を採鉱するための技術であるため、メタンハイドレートの採鉱において想定される数多くの問題点を解決することはできない。

特開平６−１７３５７０号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、メタンハイドレートの採鉱方法として現在考えられている掘削リグを用いる方法が有する数多くの問題点を悉く解決することが可能であって、メタンハイドレートを効率良く安定して採鉱することができるメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供するものである。

請求項１に係る発明は、地下にメタンハイドレート層が存在する海底面等の地盤上を自走するための移動機構と、前記地盤を掘削してメタンハイドレートを採取するための掘削機構と、該掘削機構により採取されたメタンハイドレートを加熱分解してメタンガスを取り出すための加熱機構と、該加熱機構による加熱により生じたメタンガスを海上基地等の貯蔵場所へと輸送するための輸送パイプと、前記移動機構及び掘削機構に動力を供給する原子炉とを一体的に備えてなり、前記加熱機構の熱源として該原子炉から取り出した熱エネルギーを利用することを特徴とするメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供する。
請求項２に係る発明は、前記掘削機構により採取されたメタンハイドレートを一時的に貯蔵する貯蔵室と、前記加熱機構によりメタンハイドレートが加熱分解されるガス化室と、前記貯蔵室内のメタンハイドレートを該ガス化室内へと移送する移送機構とを備えてなることを特徴とする請求項１記載のメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供する。

請求項３に係る発明は、メタンハイドレートのガス化後に生じた残渣を外部へと排出するための排出機構を備えてなることを特徴とする請求項１又は２記載のメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供する。
請求項４に係る発明は、遠隔操作のための制御信号を受信して前記各機構の動作を制御する管制機構を備えてなることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供する。
請求項５に係る発明は、前記移動機構が、無限軌道式移動機構と、スクリュー、舵及びバラストを用いた移動機構からなることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供する。
請求項６に係る発明は、前記輸送パイプは、前記採鉱用ロボット本体の近傍にて着脱可能な構造を有し、メタンガスを前記海上基地等へ輸送する期間以外の全てまたは一部の期間においては、前記海上基地等との接続が解除されることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のメタンハイドレート採鉱用ロボットを提供する。

請求項１に係る発明によれば、地下にメタンハイドレート層が存在する海底面等の地盤上を自走するための移動機構を備えているので、海底面等を自在に移動して所望の位置においてメタンハイドレートの掘削作業を行うことができる。
また、掘削機構により採取されたメタンハイドレートを加熱分解してメタンガスを取り出すための加熱機構と、加熱機構による加熱により生じたメタンガスを海上基地等の貯蔵場所へと輸送するための輸送パイプを備えているので、外部から熱エネルギーを供給することなく、採取現場にてメタンハイドレートからメタンガスを取り出して、そのまま貯蔵場所へと輸送することができる。
更に、移動機構及び掘削機構に動力を供給する原子炉を備えているので、外部からのエネルギー供給を必要とせずに充分な駆動エネルギーを確保することが可能となり、しかもこの原子炉から取り出した熱エネルギーを加熱機構の熱源として利用するので、従来の化学反応をもとにしたエネルギー源（石油や天然ガス等）に比べてエネルギーの利用効率が格段に優れたものとなる。
また、原子炉及び各機能が一体的に備えられたコンパクトな形態であるため、軟弱で不安定な地盤上での作業に適している。

請求項２に係る発明によれば、掘削機構により採取されたメタンハイドレートを一時的に貯蔵室に貯蔵してから、ガス化室へと移送して加熱分解することができるので、採取された多量のメタンハイドレートを一旦貯蔵してから、貯蔵場所の状況等に応じて順次必要なだけガス化することが可能となる。
請求項３に係る発明によれば、メタンハイドレートのガス化後に生じた水、岩石、砂、泥等の残渣を外部へと排出することができるので、ロボット内に残渣が溜まることがなく、多量のメタンハイドレートを連続的にガス化処理することが可能となる。
請求項４に係る発明によれば、海上等からの遠隔操作によってロボットの動作を制御することができる。
請求項５に係る発明によれば、起伏の多い海底面であっても安定して走行することができるとともに、海中における移動も可能となるので、広い作業範囲を確保することが可能となる。
請求項６に係る発明によれば、メタンガスを海上基地等へ輸送する以外の期間、すなわち移動や採鉱の作業期間には、輸送パイプをロボット本体の近傍で切り離して海上基地等との接続を絶つことにより、潮流等の影響を受けずに安定した状態で作業を行うことが可能となる。

以下、本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットの好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットの全体構成を示す概略図である。
本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットは、地下にメタンハイドレート層が存在する海底面等の地盤上を自走するための移動機構（１）と、地盤を掘削してメタンハイドレートを採取するための掘削機構（２）と、該掘削機構（２）により採取されたメタンハイドレートを加熱分解してメタンガスを取り出すための加熱機構（３）と、取り出されたメタンガスを海上基地等へと輸送するための輸送パイプ（４）とを備えている。

本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットは、移動機構（１）を備えていることにより、海中や海底面等を広範囲に亘って自在に移動して、所望の位置においてメタンハイドレートの掘削作業を行うことができる。
移動機構（１）は、ロボットを自力で移動させることができればその具体的構成については特に限定されないが、無限軌道式移動機構と、スクリュー、舵及びバラストを用いた移動機構を用いることが好ましい。
これは、無限軌道式移動機構によれば、起伏が大きい場所や地盤が軟弱な場所での走行を安定して行うことができ、スクリュー、舵及びバラストを用いた移動機構によれば、海中における移動を容易に行うことができるため、両機構を備えることで、海底及び海中においてメタンハイドレート層を採掘する為に必要な移動を円滑に行い得るからである。

移動機構（１）として、図１では、無限軌道式移動機構（１０）と、スクリュー（１１）、舵（１２）及びバラスト（１３）を用いた移動機構を利用したロボットが示されている。尚、符号（１３）はバラストが収容されている部分を示している。
無限軌道式（クローラ式）移動機構（１０）は、一般にキャタピラ（登録商標）式走行機構と呼ばれる移動機構であって、複数の車輪の周囲に無端状のベルトを巻回した構造からなり、戦車、ブルドーザー、トラクター、耕耘機、雪上車等に利用されている公知の機構を用いることができる。
スクリュー（１１）、舵（１２）及びバラスト（１３）を用いた移動機構は、潜水艦や深海艇に用いられるもので海中を移動する際に用いられる。具体的には、スクリュー（１１）は海中での推進力を得るために用いられ、舵（１２）は海中移動時の進行方向を定めるために用いられ、バラスト（１３）は重さ調節により浮力を調整して海中での上昇及び下降の力を得るために用いられる。また、スクリュー（１１）及び舵（１２）については、前進、後退、旋回が可能なように、複数箇所に配置してもよい。

掘削機構（２）は、地下のメタンハイドレート層まで地盤を掘削することができればその具体的構成については特に限定されないが、例えば、回転カッタヘッド式掘削機構やショベル式掘削機構などを利用することができる。
回転カッタヘッド式掘削機構は、前面に多数の刃を取り付けたカッタヘッドを回転させながら地盤を掘削していく掘削機構であって、トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）やシールドマシンにおいて用いられている公知の機構を用いることができる。
ショベル式掘削機構は、屈伸可能なアームの先端にシャベルを取り付けた掘削機構であって、ドラグショベルやパワーショベル等のショベルカーにおいて用いられている公知の機構を用いることができる。
図示例では、これら２種類の掘削機構を共に備えたロボットが示されているが、いずれか一方のみを備えたものとすることもできる。

加熱機構（３）は、メタンガスを取り出すための熱をメタンハイドレートに供給するための機能であり、本発明においてはロボットに搭載される小型の原子炉が加熱機構として用いられる。
原子炉としては、軽水炉、重水炉、ガス炉、高速増殖炉等の公知の原子炉を用いることができる。軽水炉としては加圧水型や沸騰水型等を用いることができ、ガス炉としては高温ガス炉やマグノックス炉等を用いることができる。
本発明に係るロボットでは、このような原子炉においてウランの原子核が核分裂を起こす際に発生する熱エネルギーを用いてメタンハイドレートを加熱し、メタンハイドレートからメタンガスを取り出すように構成されている。そのため、従来の化学反応をもとにしたエネルギー源（石油や天然ガス等）を用いた場合に比べてエネルギーの利用効率が格段に優れている。

また本発明において、原子炉は、前述した移動機構（１）、掘削機構（２）と、後述する移送機構（７）、管制機構（９）を駆動させるための電気エネルギー及び／又は機械エネルギーを供給するためのエネルギー供給源としての役割も果たす。

輸送パイプ（４）は、上記の加熱機構（３）による加熱により生じたメタンガスを輸送するためのパイプであって、後述するガス化室（８）と海上基地等のメタンガスの貯蔵場所とを接続している。
本発明では、上述した如く、ロボットに備えられた加熱機構により、採取したメタンハイドレートを加熱分解してメタンガスを得ることができるので、得られたメタンガスを輸送パイプ（４）を通して海上まで容易に輸送することができる。
尚、輸送パイプ（４）は、ロボット本体の近傍において着脱可能な構造とし、メタンガスを海上基地等へ輸送する期間以外の全てまたは一部の期間においてはロボット本体から分離して、海上基地等との接続を解除することが好ましい。
これは、輸送パイプ（４）はメタンガスの輸送時のみに有用であって、それ以外の期間すなわち移動、掘削、採鉱などの作業時には不要であり、しかもこのような作業時において輸送パイプ（４）を接続したままの状態とすると、海中の潮流を受けて作業を不安定にする可能性があるためである。

本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットは、更に、掘削機構（２）により採取されたメタンハイドレートを一時的に貯蔵する貯蔵室（５）と、前記加熱機構（３）によりメタンハイドレートが加熱分解されるガス化室（６）と、前記貯蔵室（５）内のメタンハイドレートをガス化室（６）へと移送する移送機構（７）とを備えている。

ガス化室（６）は、貯蔵室（５）から移送機構（７）により移送されてきたメタンハイドレートに対して、加熱機構（２）を構成する原子炉から導入された熱エネルギーが供給される部屋であって、この部屋においてメタンハイドレートが加熱分解されてメタンガスが取り出される。
移送機構（７）としては、例えばベルトコンベア、バケットコンベア、スクリューコンベア等の各種コンベアを用いることができるが、特にこれらに限定はされない。移送機構（７）は、単純に移送する機能のみでなく、貯蔵室（５）とガス化室（６）との圧力差、温度差を調整する機能を有するものとする。

このように、貯蔵室（５）、ガス化室（６）、移送機構（７）を設ける構成とすると、掘削機構により採取されたメタンハイドレートを一時的に貯蔵室に貯蔵してから、ガス化室へと移送して加熱分解することができる。そのため、採取された多量のメタンハイドレートを一旦貯蔵してから、海上基地等にある貯蔵場所の状況に応じて順次必要なだけガス化することが可能となるというメリットがある。

本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットは、更に、メタンハイドレートのガス化後に生じた残渣を外部へと排出するための排出機構（８）と、遠隔操作のための制御信号を受信するとともにロボット本体の動作状態や関連データを送信する送受信機能と前記各機構の動作を制御する機能をもった管制機構（９）を備えている。

排出機構（８）は、ガス化室（６）において発生した残渣、具体的にはメタンハイドレートからメタンガスを取り出した後に生じる水や、メタンハイドレートと共に採取された岩石、砂、泥等を、ロボット外の海底面等へと排出する機構であって、例えば、ガス化室（６）からロボット外部に向けて延出された開閉可能な出口を有するパイプ等から構成される。また、このパイプ内へと残渣を送り込むためのロボットアームやシリンダ等の装置を設けることもでき、このような装置の駆動源としては、上記した原子炉から得られるエネルギーを用いることができる。
このような排出機構（８）を備えることにより、ロボット内に残渣が溜まることがなく、多量のメタンハイドレートを連続的にガス化処理することが可能となる。

管制機構（９）は、海上基地等の遠隔地から発信された制御信号を受信するアンテナと、該アンテナにて受信された制御信号に基づいて上述した各機能の駆動を制御するＣＰＵと付属装置、また、ロボット本体の動作状態や関連データを送信する送受信機能を備えている。
このような管制機構（９）を有することにより、ロボットの各種動作を海上基地等からの遠隔操作によって制御することができる。

上記各機構（原子炉を含む）は１台のロボットに一体的に備えられる。
これにより、ロボット全体がコンパクトな形態となり、メタンハイドレート層を有する海底等の軟弱で不安定な地盤上での作業に適したものとなる。

以下、本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットの作用について説明する。
本発明に係るロボットは、海上から自力であるいは、深海潜水船等に搭載されて予めメタンハイドレート層の存在が確認されている海底面まで到達する。
海底面において、ロボットは、移動機構（１）により移動しながら、掘削機構（２）により地盤を掘削してメタンハイドレートを採取して、ロボット内の貯蔵室（５）へと取り入れる。
貯蔵室（５）に取り入れられたメタンハイドレートは、移送機構（７）によりガス化室（６）へと移送され、加熱機構（３）となる原子炉から取り出された熱エネルギーにより加熱分解される。
ガス化室（６）内での加熱分解により生じたメタンガスは、輸送パイプ（４）を通って地上にあるガスタンク等の貯蔵場所へと送られ、水、岩石、砂、泥等の残渣は排出機構（８）によりロボット外部へと排出される。
一箇所での採掘が完了すると、移動機構（１）により他の場所に移動して同様の採掘作業を繰り返し続けることができる。

上記した一連の作業工程において、輸送パイプ（４）はメタンガスを輸送する時にのみロボット本体（ロボット全体のうち輸送パイプ以外の部分）と接続しておき、それ以外の期間すなわち移動時や掘削時、採鉱時等には、ロボット本体の近傍箇所において該本体から切り離すことが好ましい。
このようにすると、移動、掘削、採鉱等の作業の際に受ける海中の潮流の影響を最小限に抑えることができ、これらの作業を安定して行うことができるという大きな利点がある。
切り離した後、再びメタンガスを輸送する際には、切り離された箇所にて再度接続することにより、メタンガスの輸送作業を行うことができる。

本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットは、従来考えられている掘削リグを用いた方法の問題点を解決して、メタンハイドレートを効率良く採鉱することを可能とするものであって、我が国の２１世紀のエネルギー源を確保する上でその利用可能性は非常に大である。

本発明に係るメタンハイドレート採鉱用ロボットの全体構成を示す概略図であって、無限軌道式移動機構と、スクリュー、舵及びバラストを用いた移動機構を有するロボットを示している。

符号の説明

１ 移動機構
２ 掘削機構
３ 加熱機構
４ 輸送パイプ
５ 貯蔵室
６ ガス化室
７ 移送機構
８ 排出機構
９ 管制機構
１０ 無限軌道式移動機構
１１ スクリュー
１２ 舵
１３ バラスト（バラスト収容部）

Claims (6)

1. 地下にメタンハイドレート層が存在する海底面等の地盤上を自走するための移動機構と、
   前記地盤を掘削してメタンハイドレートを採取するための掘削機構と、
   該掘削機構により採取されたメタンハイドレートを加熱分解してメタンガスを取り出すための加熱機構と、
   該加熱機構による加熱により生じたメタンガスを海上基地等の貯蔵場所へと輸送するための輸送パイプと、
   前記移動機構及び掘削機構に動力を供給する原子炉とを一体的に備えてなり、
   前記加熱機構の熱源として該原子炉から取り出した熱エネルギーを利用することを特徴とするメタンハイドレート採鉱用ロボット。
2. 前記掘削機構により採取されたメタンハイドレートを一時的に貯蔵する貯蔵室と、
   前記加熱機構によりメタンハイドレートが加熱分解されるガス化室と、
   前記貯蔵室内のメタンハイドレートを該ガス化室内へと移送する移送機構とを備えてなることを特徴とする請求項１記載のメタンハイドレート採鉱用ロボット。
3. メタンハイドレートのガス化後に生じた残渣を外部へと排出するための排出機構を備えてなることを特徴とする請求項1又は２記載のメタンハイドレート採鉱用ロボット。
4. 遠隔操作のための制御信号を受信して前記各機構の動作を制御する管制機構を備えてなることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のメタンハイドレート採鉱用ロボット。
5. 前記移動機構が、無限軌道式移動機構と、スクリュー、舵及びバラストを用いた移動機構からなることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のメタンハイドレート採鉱用ロボット。
6. 前記輸送パイプは、前記採鉱用ロボット本体の近傍にて着脱可能な構造を有し、メタンガスを前記海上基地等へ輸送する期間以外の全てまたは一部の期間においては、前記海上基地等との接続が解除されることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のメタンハイドレート採鉱用ロボット。
   

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