background image

Unit 25

Future Mining

background image

This unit covers several possible future mining 
methods which are being planned today. Mining 
technology is an ever evolving field which 
pushes the limits of engineering and 
technological advances. 
As traditional earth bound resources are 
depleted, other sources will need to be 
developed in order to provide the standards we 
have become accustomed to.

background image

In this unit we will look at the feasibility of future 
proposed mining techniques. These include :

Ocean Mining

    

Asteroid Mining

Gold from the Sea

Helium-3 Mining

Deep Seabed Nodules

Moon Mining

Biological Leaching

Oxygen Mining

Nuclear Blasting

Bacterial Leaching

Ocean Diamonds

background image

... in the ocean depths, there 
are mines of zinc, iron, silver 
and gold which would be quite 
easy to exploit."

Jules Verne (1870)

background image

Ocean Mining

 

There are about 140 sites of 
presently or recently active 
hydrothermal venting on the 
sea floor and more are being 
found every year by marine 
geologists, geophysicists and 
biologists conducting basic 
research on a fundamental 
Earth process.

background image

Ocean Mining 

This is one important way that 
heat is ventilated from the 
interior. The vented hot water, 
at temperatures as high as 
420

°

C but more commonly 

350

°

C, carries dissolved in it 

high concentrations of metals, 
reduced sulfur and other 
elements that are precipitated 
when it encounters the 2

°

bottom water. 

background image

Ocean Mining

 

Next in size appear to be the mounds at 
the Middle Valley site off the west coast of 
Canada totaling about 25 million metric 
tons. These mounds are growing in thick 
sediments and have some attributes to 
deposits on land. Recent drilling by the 
Ocean Drilling Program, of which Canada 
is a member has shown that one of 
mounds contains 220 metres of stacked 
sulfide lenses and intervening feeders 
from which 8 representative samples gave 
average values of 3.3% Cu, 19.6% Zn and 
0.1% Pb. Beneath is a "Deep Copper Zone" 
that is about 40 metres thick and is 
returning copper assays of >10%.

background image

Ocean Mining 

The environmental consequences of ocean mining may 
be less deleterious than land mining. There will be no 
acid mine waters to contend with because sea water, 
being alkaline, would neutralize any acids that may form 
and submarine weathering is a very slow process in any 
case. There will be no gaping holes on the sea bed and 
no huge rock piles; the deposits are sitting on the sea 
floor uncovered. 
Besides, it would be technically difficult and very 
expensive to excavate in lavas compared with 
extracting rather crumbly, poorly consolidated 
polymetallic sulfides. Some fauna are bound to be killed 
but a competent biological assessment prior to mining 
can determine whether or not this would lead to species 
extinction.

 

background image

Ocean Mining 

The technology for extracting 
bulk samples from the sea floor 
does not yet exist in total but 
some engineering can be 
borrowed from the ill fated 
manganese nodule programs of 
the 1970s. The Japanese are 
developing an ocean miner 
which is said could be used 
both for manganese nodules 
and polymetallic sulfides

background image

Ocean Mining 

Manganese nodules were first 
discovered on the ocean floor in 
1803. After the Second World War, a 
comprehensive investigation of the 
Ocean World started, and new data 
were obtained on a wide 
distribution of manganese nodules, 
that made scientists consider 
modules as one of the major 
characteristics of the deep oceanic 
zone. 
Since the 1960's manganese 
nodules have been recognized as a 
potential ore source, investigation 
of which is stimulated by the 
progressive depletion of land-based 
mineral resources.

 

background image

Ocean Mining - Seabed Nodules 

About the sources of ore material 
supply to the ocean, there were once 
three major presumptions: 

(1) Main ore material supply to 
the ocean comes from 
terrigenous and volcanic, and 
also hydrothermal material. 
(2) Volcanic material is the major 
source of the supply of ore 
matter to the ocean. 
(3) Terrigenous is the major 
source of the supply of ore 
matter to the ocean. 

background image

Ocean Mining - Seabed 
Nodules
 

Goldshmidt was the first to 
open the problem of balance 
for discussion. In 1954, he 
pointed out that absolute 
masses of some metals in the 
ocean exceed their supply from 
continental rock weathering 
over geological time. This 
problem has risen a great 
interest in geochemistry. It is 
sustained by the problem of 
manganese nodule origin and 
also by the problem of 
hydrothermal matter supply to 
the ocean. 

background image

Ocean Mining - Seabed Nodules

 

In 1966, Scientists computed the 
balance of some elements in the 
ocean. Their computations revealed 
an actual excess of manganese over 
its supply from continental sources. 
The computation result also revealed 
that elements such as chlorine, 
sulfur, bromine, iodine, molybdenum 
were "excessive." According to the 
calculating result of Elderfield 
(1976), dissolved manganese supply 
to the ocean from various sources is 
2.2-4.0 million tons annually; 0.7-7.4 
million tons of manganese sink to 
the ocean bottom annually; 0.5-10 
million tons of hydrothermal 
manganese are supplied to the 
ocean annually.

background image

Ocean Mining - Seabed Nodules 

But according to different estimates, the supply of labile 
and dissolved manganese to the ocean is :
 

0.2 - 0.4 million tons yearly through river 
discharge;
 
0.05 - 0.3 million tons yearly by atmospheric 
material; 
1 - 10 million tons by hydrothermal material; 
and
 
0.4 - 4 million tons yearly by diagenetic flow. 

So, the amplitude of minimum-maximum summary 
estimates is 1.2 - 14.7 million tons per year. These are the 
general profiles of the accumulation of manganese 
nodules. The accumulation rate of manganese should be 
studied in individual oceanic regions.

 

background image

Ocean Mining - Seabed Nodules

 

Depending on the major ore elements (manganese, iron 
and base metals) the nodules contain, three major types 
were distinguished: 

(1) 

hydrogenous

, i.e., formed due to slow 

deposition of metals out of sea water and 
characterized by a high concentration of base 
metals and varying Mn/Fe rations (from 0.5-5) 
(2)

 hydrothermal

, i.e., rich in iron and depleted of 

other metals, and turns out to be having an 
extremely wide range of Mn/Fe rations 
(3)

 diagenetic

, i.e., characterized by high Mn/Fe 

ratios and relatively low concentration of base 
metals. 

background image

Ocean Mining - Seabed Nodules

 

In 1928, Butkevich first reported the discovery of some 
specific iron bacteria in manganese nodules from the 
Arctic basin bottom. 
Later, in manganese nodules, other species of 
microorganisms were found which were capable of 
accumulating iron and manganese. Although the function 
of microorganisms in manganese and the mechanism of 
oxidation are still under debate, it is believed that the 
biogenic factor determines to a considerable extent the 
manganese destiny on its ways to the ocean.

 

background image

Ocean Mining - Hydrothermal Vents

 

High temperature hot springs in the 
deep ocean, also known as "black 
smokers" because they look like a 
dirty industrial process, produce a 
cloud of fine particulate matter near 
the ocean floor that can be traced for 
kilometres down current from the 
source. Fallout of particles from the 
plume raises the trace metal content 
of the underlying seafloor sediment

background image

Seabed Mining 

The substances which can be 
mined from the sea might be 
divided into two classes: 

first, fossil fuels, chiefly 
oil and gas; and 
second, all others, 
chiefly minerals. 

With the increase in the price of oil 
and gas in the 1970's, the 
commercial exploitation of oil and 
gas deposits beneath shallow 
continental waters became an 
economic possibility. This is a 
technology which is now routine 
and is the only case of fully 
developed seabed industry. 

background image

Seabed Mining

 

Seabed resources of oil and gas 
are estimated to be about 20% 
of total world resources and 
presently earn about that share 
of worldwide oil and gas 
revenues. It is not presently 
possible to recover oil and gas 
from the abyssal depths of the 
ocean and it may never be 
commercially feasible to do so. .

 

background image

Seabed Mining

 

Of the more than 25 possible 
materials which are known to occur 
in significant quantities on the 
seabed only four are presently 
exploited. Sand and gravel for 
landfill purposes is taken from 
shallow water chiefly in Japan and 
Western Europe. The industry 
constitutes only one percent of the 
worldwide activity and is 
considered unlikely to grow. 

background image

Seabed Mining

 

A small operation off the coast 
of Louisiana recovers less than 
one percent of the world's 
production of sulphur but it is 
unlikely that this operation can 
survive as sulphur extraction 
from pollution control 
equipment is increased in the 
next few years in an effort to 
limit atmospheric pollution.

background image

Seabed Mining

 

A full 14 percent of 
the world's tin is 
obtained by offshore 
dredging in the "tin 
belt" of southeast 
Asia. This activity 
along the Malay 
peninsula and 
Borneo has been in 
operation for over a 
century. 

background image

Seabed Mining

 

Other materials which could become 
important in the future can be categorized 
in three broad classes. 
1) The first is "

mineral placers

" or 

deposits. The tin deposits are of this type 
but also such important metals as 
titanium, chromium, gold and silver are 
known to exist.
 A very interesting case is titanium for 
which the seabed resources are thought to 
comprise one half of the world's supply. 

background image

Seabed Mining 

2) Even more interesting is the second category of 
"

nodules and crusts

". These are unique seabed minerals 

that are rich in platinum, cobalt, nickel, manganese and 
copper. In the case of cobalt and nickel this may be much 
larger than the dry land resource. 
Unfortunately, they occur mostly at the abyssal depths 
and there is not even a start on the technology to 
recover them. It is not considered to be an economic 
prospect in the foreseeable future

background image

Seabed Mining 

Finally, the recent discovery of the 

thermal vents

 on the 

ocean floor has added a new class of minerals. These 
hot water plumes bring up metallic sulfides from the 
earth's interior and in contact with the cold surrounding 
water deposit the sulfides in large quantities. These are 
huge potential sources of copper, zinc and lead but 
again are at abyssal depths. 

background image

Law of the Sea Treaty 

In the beginning...

1494 the Pope divided the oceans between Spain and 
Portugal 
by 1600's, since the oceans were limitless, everyone 
agreed that Freedom of the Seas should apply 
3 mile strip of territorial sea along coasts 
1930 League of Nations tried to codify further 

Post WW II...

Truman claimed resources on shelves out to depth of 
200 m 
1st LOS Conference in 1958: 
agreed on "innocent passage" but couldn't agree on 
width 
outlawed slavery, piracy; allowed hot pursuit, over 
flight, fishing 
allowed exploitation out to a depth of 200 m

 

background image

Law of the Sea Treaty

 

Fishing

Exclusive rights out to 12 or 50 or 200 miles 
Iceland went in a few years from 4-12-50-200 miles, only 
for fish 
Peru & Chile claim 200 miles even though there is 
essentially no continental shelf 
Lead to cod, tuna, shrimp wars

 

1960's: Resources started to be known

manganese nodules seemed most likely possibility 
only the industrialized countries had ability to exploit 
"common heritage of Mankind" 
U.N. resolution on "common heritage" 
U.N. moratorium resolution on production 

background image

1982 Law of the Sea Treaty

"common heritage of mankind" 
International Seabed Authority 
Royalties of 5-12% of gross or 2-4% of gross plus 35-70% 

tax on net profits 
45 LDC's have ratified, 60 needed to make law, unlikely 
U.S. Exclusive Economic Zone: 3-200 miles offshore 

(large area) 

Additional Features

Territorial sea limits: 12 or 200 miles 
right of transit, innocent passage 
archipelago nations? 
resources within 200 miles belong to coastal states 
Deep Sea: "common heritage" zone 

background image

Moon Mining 

More than 4.5 billion years ago, the 
surface of the Moon was a liquid 
magma ocean. Scientists think that 
one component of lunar rocks, 

KREEP

 (K-potassium, Rare Earth 

Elements, and P-phosphorous), 
represents the last chemical 
remnant of that magma ocean. 
KREEP is actually a composite of 
what scientists term "incompatible 
elements": those which cannot fit 
into a crystal structure and thus 
were left behind, floating to the 
surface of the magma. 

For researchers, KREEP is a convenient tracer, useful 
for reporting the story of the volcanic history of the 
lunar crust and chronicling the frequency of impacts by 
comets and other celestial bodies.

background image

Moon Mining Primary elements:

The lunar crust is composed of a 
variety of 

primary elements

, including 

uranium, thorium, potassium, oxygen, 
silicon, magnesium, iron, titanium, 
calcium, aluminum and hydrogen. 
When bombarded by cosmic rays, each 
element bounces back into space its 
own radiation, in the form of gamma 
rays. Some elements, such as uranium, 
thorium and potassium, are 
radioactive and emit gamma rays on 
their own. 

However, regardless of what causes them, gamma rays 
for each element are all different from one another -- 
each produces a unique spectral "

signature

," detectable 

by an instrument called a spectrometer. A complete 
global mapping of the Moon for the abundance of these 
elements has never been performed.

background image

Moon Mining

 

ELEMENT

% BY WEIGHT

Aluminum 

7.3

Calcium 

8.5

Chromium

0.2

Iron              12.1
Magnesium 4.8
Manganese 0.2
Oxygen

40.8

Potassium

0.1

Silicon

19.6

Sodium

0.3

Titanium

4.5

background image

Moon Mining Treaty

 Treaty on principles governing the 

activities of states in the exploration and use of outer space, 
including the moon and other celestial bodies. Opened for 
signature at Moscow, London, and Washington on 27 January 
1967 

THE STATES PARTIES. TO THIS TREATY,

 

INSPIRED by the great prospects opening up before mankind 
as a result of man's entry into outer space

RECOGNIZING the common interest of all mankind in the 
progress of the exploration and use of outer space for 
peaceful purposes, 

BELIEVING that the exploration and use of outer space should 
be carried on for the benefit of all peoples irrespective of the 
degree of their economic or scientific development, 

background image

DESIRING to contribute to broad international co-operation in the 
scientific as well as the legal aspects of the exploration and use of outer 
space for peaceful purposes, 

BELIEVING that such co-operation will contribute to the development of 
mutual understanding and to the strengthening of friendly relations 
between States and peoples, 

RECALLING resolution 1962 (XVIII), entitled "Declaration of Legal 
Principles Governing the Activities of States in the Exploration and Use 
of Outer Space", which was adopted unanimously by the United Nations 
General Assembly on 13 December 1963, 

RECALLING resolution 1884 (XVIII), calling upon States to refrain from 
placing in orbit around the earth any objects carrying nuclear weapons 
or any other kinds of weapons of mass destruction or from installing 
such weapons on celestial bodies, which was adopted unanimously by 
the United Nations General Assembly on 17 October 1963, 

TAKING account of United Nations General Assembly resolution 110 (II) of 
3 November 1947, which condemned propaganda designed or likely to 
provoke or encourage any threat to the peace, breach of the peace or 
act of aggression, and considering that the aforementioned resolution is 
applicable to outer space, 

CONVINCED that a Treaty on Principles Governing the Activities States in 
the Exploration and Use of Outer Space, including the Moon and Other 
Celestial Bodies, will further the Purposes and Principles of the Charter 
of the United Nations, 

background image

HAVE AGREED ON THE FOLLOWING: 

Article I 

The exploration and use of outer space, including the moon and 
other celestial bodies, shall be carried out for the benefit and in 
the interests of all countries, irrespective of their degree of 
economic or scientific development, and shall be the province of 
all mankind. 

Outer space, including the moon and other celestial bodies, shall 
be free for exploration and use by all States without 
discrimination of any kind, on a basis of equality and in 
accordance with international law, and there shall be free access 
to all areas of celestial bodies. 

There shall be freedom of scientific investigation in outer space, 
including the moon and other celestial bodies, and States shall 
facilitate and encourage international co-operation in such 
investigation. 

background image

Article II

 

Outer space, including the moon and other celestial 
bodies, is not subject to national appropriation by claim 
of sovereignty, by means of use or occupation, or by any 
other means. 

Article III

 

States Parties to the Treaty shall carry on activities in the 
exploration and use of outer space, including the moon 
and other celestial bodies, in accordance with 
international law, including the Charter of the United 
Nations, in the interest of maintaining international 
peace and security and promoting international co- 
operation and understanding. 

background image

Article IV

 

States Parties to the Treaty undertake not to place in orbit 
around the earth any objects carrying nuclear weapons or any 
other kinds of weapons of mass destruction, instalL such 
weapons on celestial bodies, or station such weapons in outer 
space in any other manner. 

The moon and other celestial bodies shall be used by all States 
Parties to the Treaty exclusively for peaceful purposes. The 
establishment of military bases, installations and fortifications, 
the testing of any type of weapons and the conduct of military 
maneuvers on celestial bodies shall be forbidden. The use of 
military personnel for scientific research or for any other 
peaceful purposes shall not be prohibited. The use of any 
equipment or facility necessary for peaceful exploration of the 
moon and other celestial bodies shall also not be prohibited. 

background image

Article V

 

States Parties to the Treaty shall regard astronauts as envoys of 
mankind in outer space and shall render to them all possible 
assistance in the event of accident, distress, or emergency 
landing on the territory of another State Party or on the high 
seas. When astronauts make such a landing, they shall be 
safely and promptly returned to the State of registry of their 
space vehicle. 

In carrying on activities in outer space and on celestial bodies, 
the astronauts of one State Party shall render all possible 
assistance to the astronauts of other States Parties. 

States Parties to the Treaty shall immediately inform the other 
States Parties to the Treaty or the Secretary-General of the 
United Nations of any phenomena they discover in outer space, 
including the moon and other celestial bodies, which could 
constitute a danger to the life or health of astronauts. 

background image

Moon Mining - Helium-3

 

Identification of the potential of lunar 
helium-3 as a fuel for 21st Century 
commercial fusion power has sparked 
increasing interest in the extraction of 
solar wind volatiles from the lunar 
regolith.

Extraction of one metric tonne of helium-3, that 
necessary to provide about 1/25 of the annual U.S. 
electricity consumption or 10 GWe-yr, will require the 
mining of about 11 km

2

 of the lunar surface to a depth of 

three meters, assuming a recoverable grade . The 
regolith mining, beneficiation, and processing concept 
ultimately chosen to accomplish this task will clearly 
influence the final economics of volatile extraction and 
the architecture of lunar bases and settlements.

background image

Moon Mining

 

Rectilinear mining concepts, with mining, 
beneficiation, and volatile extraction 
systems integrated into a single, self 
contained mobile unit, have received 
important attention. Such concepts 
envision interim storage of extracted 
volatiles in pressurized tanks which 
would then be picked up and transported 
to a central processing location at a 
permanent lunar base. Long duration, 
full service, and permanently emplaced 
support facilities appear to be required 
to support such concepts. Once mining 
operations reach the practical limits of 
transportation support, an entirely new 
base and transportation network must 
be established at another location in the 
resource region.

background image

Moon Mining - Spiral Mininq Concept 

Spiral mining, extending outward from a 
periodically mobile central station , 
represents an alternative concept for 
comparison with more traditional mining 
schemes. With spiral mining, the mobile 
mining machine would be attached to the 
central station by a telescoping support 
arm. The miner would extract regolith 
fines in an outward spiral away from the 
central station. Using solar thermal 
energy collected at and beamed from the 
central station, the miner's internal 
systems would then beneficiate the 
fines, extract solar wind volatiles, and 
recover waste heat. Cooled, spent fines 
would be deposited at the rear of the 
miner. In these particulars, the spiral 
mobile miner and the rectilinear miner 
are comparable.

background image

Moon Mining - Mobile Miner

 

During normal operations, the mobile miner of a spiral 
mining system would mine its way through the upper 
three meters or so of the lunar regolith, supplementing 
its mass with the regolith moving within its systems and 
possibly with extra regolith as ballast.
 
A look-ahead radar system should make it possible to 
either avoid or excavate boulders too large to deal with 
normally. Blocky craters as well as major boulder 
concentrations would be avoided by extending and 
contracting the telescoping support arm.

background image

Moon Mining

 

Continuous processing of the mined regolith would take 
place within the miner (see Sviatoslavsky and Jacobs, 
1988), including separation of fines and rejection of 
coarse material, beneficiation of fines, heating of fines to 
extract volatiles, and recovery of waste heat prior to 
disposal of spent fines. 
Thermal energy for the continuous extraction of volatiles 
from regolith fines initially could be collected by 
appropriately placed solar collectors on the top of the 
central station. This thermal energy, or thermal energy 
from any other potential source, would be transmitted by 
reflectors or the support arm to the miner and directed 
into the extraction heat exchangers.

background image

Moon Mining

 

The mobile miner may be fully automated or operated tele-
robotically from the central station. Design should provide, 
however, both for human inspection and maintenance and for 
temporary human operation in the event that automated or 
tele-robotic systems require extensive down time for repair.

The central station of a spiral mining system, in addition to 
providing support facilities for its inhabitants, would supply 
electrical and solar thermal power to the mobile miner. The 
station also would perform command and control functions for 
teleoperation of routine mining. Extracted raw volatiles, 
pumped from the miner, would be processed and tanked for 
export or storage. Refined and liquefied helium-3 and other 
volatiles would be launched to Earth or space from a launch 
and landing platform (LP), placed along the support road from 
the main lunar base so as to serve two of more central station 
sites. Other liquefied volatiles, in excess of those needed to 
operate the station or for export to space based users, would 
be stored in radiatively cooled cavities within the insulating 
regolith and beneath the central station.

background image

Some considerations suggest that the standard operating 
duty cycle for each station would be daytime mining, 
beneficiation, and volatile extraction and nighttime volatile 
refining. Such a cycle would take maximum advantage of 
sunlight for mining and volatile extraction and of the deep 
space cold sink during volatile refining. Electrical power could 
be generated by hydrogen-oxygen engines and/or fuel cells 
with a very small net utilization of the extracted volatiles. 
This duty cycle also would provide convenient work cycles for 
the station's crews in multiples of two weeks, such as six 
weeks on and two weeks off.

The basic architecture of a spiral mining central station might 
have a cylindrical plan. A central core area could house the 
power subsystem (PS). Habitat sections (HS) and other crew 
occupied areas could be arranged around the power 
subsystem core. Finally, the outer cylinder could include 
volatile refining subsystems (GP), feeding directly into the 
mobile miner support arm. This configuration, along with 
appropriately located regolith fill in the station's outer walls, 
also would provide radiation shielding for the crew.

background image

Wheel assemblies, motors, gear boxes, and other 
components of the station's mobility subsystem could be 
located in four internally accessible compartments beneath 
either the habitat or the volatile refining cylinders. 
Preplanning of the station's actual mining track should make 
it possible to center each mining spiral over an 
appropriately sized crater that can then be configured to 
contain the cryogenic storage subsystems for excess 
volatiles. The insulating cover placed over storage vessels 
could then be used as a prepared area for storage, vehicle 
parking, and routine vehicle maintenance and repair.

background image

Oxygen Mining

 

By weight, moon rocks are about 
40% oxygen. By heating the top 
meter of 1 acre of moon dust to 
1300 degrees Celsius, we get 
3000 to 3500 tons of oxygen. 
Every ton of extracted oxygen 
requires 450 kilocalories of 
energy. 
If we increase the temperature 
(and the amount of energy) just 
a bit... to 1500 degrees Celsius, 
we get a lot more than just 
oxygen. 

background image

Nuclear Mining

 

The first completely 
contained nuclear 
explosion, of 1.7 kiloton 
energy release (TNT 
equivalent) was fired on 
Sept. 19,1957. Although 
one of the prime 
purposes of this blast 
was to test the depth of 
solid rock necessary to 
contain a nuclear 
explosion, the rock 
breakage, seismic 
waves generated and 
local effects of the rock 
were also of vital 
interest.

background image

Nuclear Mining

 

The initial temperature in the 
room which contained the 
nuclear device was calculated 
to be 1,000,000 K and the 
pressure 7,000,000 atm. The 
rock melted a 15 ft. chamber 
and crushed the rock out to a 
150 ft. radius. The top of the 
cavity collapsed to form a 
chimney ultimately 400 ft. 
high. About 200,000 tons of 
rock was fragmented.

background image

Nuclear Mining 

The Sedan Crater was 
formed in a series of tests 
called Project 'Plowshare

This was conducted by the 
Dept of Energy to see the 
effects of using Atomic 
weapons for construction 
purposes and so the words 
'peaceful' tests were 
evolved. Sedan is currently 
'one' of the largest craters 
in the NTS and was 
conducted on Yucca Flat 
Proving Ground

background image

Nuclear Mining 

A nuclear explosion could easily excavate a large area, 
facilitating the building of canals and roads, improving 
mining techniques, or simply excavating a large amount 
of rock and soil. Unfortunately, the radiation proved too 
omnipresent and the program was abandoned. The 
device was thermonuclear; 70% fusion, 30% fission with 
a yield of 100 kilotons. The crater is 653 feet deep, 
1280 feet in diameter. The weight of the material lifted 
was 12 million tons.

background image

Asteroid Mining

 

There are estimated to be about 200,000 
sizeable Apollo, Amor and Aten asteroids, and 
millions of Main Belt asteroids. 

The vast majority of Near Earth asteroids are 
thought to have originated in two ways: 

 

asteroids

 from the Main Belt (between 

Mars and   Jupiter) which dropped down to 
lower orbits due to gravitational 
perturbations by Jupiter followed by Mars 
or inner planets, or occasionally due to a 
collision with another asteroid in the Main 
Belt. 

 comets

 from the outer reaches of the 

solar system that were captured when they 
passed close to a planet or planets in the 
inner solar system. These would probably 
be volatile rich.

 

background image

Asteroid Mining - Processing the Material

 

Asteroidal material is exceptionally good ore requiring a 
minimum of processing. 
Only basic ore processing need occur at the asteroid, 
producing free metal and volatiles (usually stored as 
ices), and perhaps selected minerals, glasses and 
ceramics. The required equipment is quite simple. 
At the input chute, the ore will be ground up and sieved 
into different sizes as the first step of a basic ore 
processing system. Most asteroids probably offer far 
more crumbly material than we could consume in one 
mining expedition

background image

Asteroid Mining - Processing the Material

 

Simple mechanical grinders, using a rocking jaw 
arrangement for coarse crushing and a series of rollers 
for fine crushing, are arranged in a slowly rotating 
housing to provide centrifugal movement of the material. 
Vibrating screens are used to sift the grains for directing 
them to the proper sized grinders. 
The streams of material are put thru magnetic fields to 
separate the nickel-iron metal granules from the silicate 
grains. Alternatively, the streams can be dropped onto 
magnetic drums, whereby the silicates and weakly 
magnetic material deflect off the drum whereas the 
magnetic granules and pebbles stick to the magnetic 
drum until the scrape off point. Repeated cycling thru the 
magnetic field gives highly pure bags of free nickel iron 
metal.

 

background image

Asteroid Mining - Processing the Material

 

An optional additional piece of equipment is an "impact 
grinder" or "centrifugal grinder" whereby a very rapidly 
spinning wheel accelerates the material down its spokes and 
flings it against an impact block. Any silicate impurities still 
attached to the free metal are shattered off. It's feasible to 
have drum speeds sufficient to flatten the metal granules by 
impact. A centrifugal grinder may be used after mechanical 
grinding and sieving, and before further magnetic separation. 
In fact, most of the shattered silicate will be small particles 
which could be sieved out. 

The nonmagnetic material is channelled into a solar oven 
where the volatiles are cooked out. In zero gravity and 
windless space, the oven mirrors can be huge and made of 
aluminum foil. The gas stream is piped to tanks located in a 
cold shadow of space. The tanks are put in series so that the 
furthest one away is coldest. This way, water condenses more 
in the first one, carbon dioxide and other vapors in the tanks 
downstream.

 

background image

Asteroid Mining - Processing the Material

 

Rocket fuel for the delivery trip to Earth orbit can be produced 
by separating oxygen and hydrogen gases from the mix, or by 
electrolysis of water. Alternatively, the hydrogen could be 
chemically bonded with carbon to produce methane fuel. 

Thin, relatively lightweight spherical tanks could be sent to 
store the frozen volatiles. Ultimately, tanks for storing frozen 
volatiles for sending to Earth orbit can be manufactured by 
some of the nickel iron metal, by use of a solar oven for 
melting the nickel iron metal. A cast can be made from sand or 
glass-ceramic material from melted leftover ore. 

Some silicate material from the asteroid will also be shipped 
back to Earth orbit to be used for making glass, fiberglass, 
ceramics, "astercrete", dirt to grow things in, and radiation 
shielding for habitats and sensitive silicon electronics.

 

background image

Asteroid Mining - Processing the Material

 

Processing of glasses, ceramics, "astercrete" and the like is not 
discussed here, because it is discussed in the chapters on lunar 
material utilization and space manufacturing. If we were to not 
use lunar materials but use only asteroidal materials, 
processing asteroidal material to make glasses, ceramics and 
astercrete is analogous to the discussion on processing lunar 
materials for the same feedstocks and products. 

Undesired material can be put in a big wastebag container, or 
"sandbags", or cast into bricks by a solar oven, used for 
shielding the habitat from space radiation, creating more cold 
shadows, or just removed from the mining operation's space. (If 
waste were simply ejected at escape velocity, it would not 
significantly increase the number of meteors in interplanetary 
space. However, it's cheaper to skip the ejector equipment and 
power supply and just bag it all.)

 

background image

Asteroid Mining - Equipment Redeployment

 

After the asteroid is entirely consumed, the equipment can be moved to 
the next asteroid to mine.  Overall, the equipment is capable of 
producing at least several hundred times its own mass, and perhaps 
thousands of times its own mass, per year. 

A few on-site general purpose engineers will almost surely be needed at 
the asteroid to help set up the equipment, teleoperate equipment 
without a time delay (being that communications from Earth experience 
a time delay of minutes due to distance and the speed of light), and 
handle any repairs and glitches. The workers would likely live in 
artificial gravity produced by connecting habitats by cable and spinning 
the barbell. One-tenth to one-third Earth gravity is probably healthy for 
a long stay. All the chemicals necessary for breathing and drinking are 
abundant on asteroids, but a reserve of air and water, and getaway fuel, 
would always be kept on hand in case of an emergency. 

The equipment will be sent to the asteroid in advance of the people, on 
a slower and more fuel-efficient trajectory. Once in place with all vital 
systems appearing OK, the humans will be sent. Their first task will be 
to set up camp in a radiation-protected environment. 

background image

Bacterial Leaching

Heap leaching is also used in 
recovering metals from their 
ores. Bacterial leaching is first 
used to oxidize sulphide 
minerals. Cyanide solution is 
then used to leach the metals 
from the mineral heap. 
Removal of materials by 
dissolving them away from 
solids is called leaching. The 
chemical process industries use 
leaching but the process is 
usually called extraction, and 
organic solvents are often used.

background image

Basic concept

The theory and practice of 
leaching are well-developed 
because for many years leaching 
has been used to separate metals 
from their ores and to extract 
sugar from sugar beets. 
Environmental engineers have 
become concerned with leaching 
more recently because of the 
multitude of dumps and landfills 
that contain hazardous and toxic 
wastes. Sometimes the natural 
breakdown of a toxic chemical 
results in another chemical that is 
even more toxic. Rain that passes 
through these materials enters 
ground water, lakes, streams, 
wells, ponds, and the like.

 

background image

Bacterial Leaching

Although many toxic materials have low solubility in water, the 
concentrations that are deemed hazardous are also very low. 
Furthermore, many toxic compounds are accumulated by living 
cells and can be more concentrated inside than outside a cell. 
This is why long-term exposure is a serious problem; 
encountering a low concentration of a toxic material a few 
times may not be dangerous, but having it in your drinking 
water day after day and year after year can be deadly. 

The main theory of leaching neglects mechanisms for holding 
the material on the solid. Although adsorption and ion exchange 
can bind materials tightly to solids, we will simplify the analysis 
and consider only dissolving a soluble constituent away from an 
insoluble solid. An example is removing salt from sand by 
extraction with water.

 

background image

Bacterial Leaching

Countercurrent stagewise processes are frequently used in 
industrial leaching because they can deliver the highest possible 
concentration in the extract and can minimize the amount of 
solvent needed. The solvent phase becomes concentrated as it 
contacts in a stagewise fashion the increasingy solute-rich solid. 
The raffinate becomes less concentrated in soluble material as it 
moves toward the fresh solvent stage. 

'Heap leaching' is a countercurrent process where the solid is in 
a stationary heap and the solvent percolates through the solid. 
An example is a dump or landfill. This leaching is essentially 
countercurrent. In industrial leaching, solvent and solid are 
mixed, allowed to approach equilibrium, and the two phases are 
separated. Liquid and solids move countercurrently to the 
adjacent stages. The solvent phase, called the extract, becomes 
more concentrated as it contacts in stagewise fashion the 
increasingly solute-rich solid. The raffinate becomes less 
concentrated in soluble material as it moves toward the fresh 
solvent phase.

 

background image

Deep Sea Muds

"Metal-Bearing mud has been 
reported thus far only from 
the Red Sea, a submarine 
volcano off Indonesia, and, in 
less concentrated deposits, on 
the crest of the East Pacific 
Rise. Possibly present also in 
other rift or fracture zones, in 
parts of the deep trenches, in 
volcanic craters, or in other 
environments in which rising 
hydrothermal solutions may 
have been trapped."

background image

Deep Sea Muds

Three pools of brine are known to occur in adjacent local 
depressions along the median valley of the Red Sea trench. The 
upper surface of the pools is at a depth of 2,000 meters (6,562 
feet) below sea level, and the depressions are about 150 metres 
(492 feet) in depth, Atlantis II Deep by 5 km (3.1 miles) by 13 km 
(7.4 miles). Discovery Deep is 2.5 km (1.5 miles) by 4 km 
(2.5miles), and Chain Deep is 2/3 km (0.4 miles) by 3 km (1.9 
miles). estimated to be about 50,000,000 tons averaging 29 
percent iron, 3.4 percent zinc, 1.3 percent copper, silver 54 parts 
per million, and gold 0.05 parts per million; with a value of $2.5 
billion exclusive of the value of iron (Mero 1972a, p.22). 

The sediments average about 85 percent brine on an 'as is' basis 
and contain about $5 per ton of metals, or on a dry-weight, salt 
free basis contain about $28 of copper, zinc, and silver per ton. The 
highest grade part of the sediments is the sulphide facies and if it 
can be mined selectively it should prove to be highly profitable 
because it contains over $120 per ton of zinc, copper, and silver. 

Because of the gel-like, fine-grained nature of the sediments, they 
can be easily fluidized and pumped to the surface but recovery of 
the metals is a difficult undertaking (Mero 1972a, p. 22-23).

 

background image

Methane hydrates

 

Methane hydrates are a type of 
natural formation that contains large 
amounts of methane, which is also 
known as natural gas, and water, in 
the form of ice. 

Hydrates are plentiful in nature, both 
underwater and under permafrost. 
They are a potential source - possibly 
a very important source -- of energy 
for the future. However, little is 
currently known about cost-effective 
ways to turn hydrates into an energy 
resource.

background image

From a scientist's point of view, 
methane hydrates are cages of 
water molecules that surround and 
trap methane molecules. They are 
crystalline solids that form under 
moderate pressure (for instance, at 
water depths greater than 300 
meters) and at temperatures that 
are low but above the freezing point 
of water. In nature, hydrate 
formations are very hard and ice-
like, and they may contain 
molecules of substances other than 
methane. When hydrates are made 
in the laboratory or classroom, they 
tend to look more like slush.

 

background image

Where do methane hydrates form?

 

Stable methane hydrates are found at the temperature and 
pressure conditions that exist near and just beneath the sea 
floor where water depths exceed 300 to 500 meters. Hydrate is 
also stable in conjunction with permafrost at high latitudes.

How are hydrates formed? 

A. There are two processes: 

Most natural gas hydrate is formed from biogenic methane, excreted 
by bacteria that eat organic matter that has been washed into (or 
died in) the ocean. This type of hydrate is concentrated where there is 
a rapid accumulation of organic detritus and also where there is a 
rapid accumulation of sediments (which protect detritus from 
oxidation). 

Hydrates also form when faults permit natural gas (or other gases) to 
migrate from deeper inside the Earth's crust to the surface of the 
seabed at places with appropriate temperature and pressure levels. 

These processes can also cause hydrates to form below 
permafrost, which acts as a cap to prevent further upward 
migration of gas into the atmosphere.

 

background image

Scientists generally believe that 
most natural gas hydrate is 
formed from biogenic methane 
(produced by bacteria), and that 
therefore it is concentrated 1) 
where there is a rapid 
accumulation of dead organic 
material (from which bacteria 
generate methane) and 2) 
where there is a rapid 
accumulation of sediments, 
which protect the material from 
oxidation. 

Geologists tend to believe that deposits formed through underground 
venting will prove the easiest to recover because there would seem to 
be more potential for biologically produced hydrates to be distributed 
relatively evenly over a wide area, while a vent is localized. 
Additionally, there appears to be more potential that free methane is 
trapped underneath hydrates formed at vents.

 

background image

This speculation makes sense given the characteristics 
of current gas and oil production. Methane, for instance, 
one of the most common of earth's molecules, is 
produced naturally by bacterial action in swamps, 
landfills, rice paddies, and the digestive tracts of cows 
and termites. Generally, however, the concentration of 
methane in any one place is so low that - with the 
exception of a few landfills - we do not attempt to 
capture this "resource." Similarly, oil is frequently 
dispersed throughout shale formations; but processing 
the shale is an energy-intensive activity in itself, thus 
raising production costs far above those involving more 
porous formations

.

 

background image

Ocean Diamonds

Industrial diamonds are not yet commercially viable for ocean 
mining, but diamond gemstones are being actively hunted and 
mined in the alluvial areas offshore the southern tip of Africa, 
and in Indonesian waters. It is but a small fraction of the 
world's total production of diamonds that find their homes in 
jewelry settings. That is why it is so remarkable that at least 
ninety percent of diamonds mined offshore are of gem quality. 
This is attributable to the fluvial process; only ten percent of 
gem quality diamonds eroded by river drainage systems end 
up deposited on land. 

The other 90 percent are held on the sea floor, where they 
were concentrated into diamondiferous gravels through eons 
of current and wave action. The stones that survived the 
journey to the coast and beyond are generally of superior color 
and clarity, and on top of that, they are of the sizes most 
desired by consumers in the retail jewelry industry. Most 
African offshore diamonds are in the 0.2 to 20 carat size range.

background image

Ocean Diamonds

Because the sea level has fluctuated so 
much historically, dropping by some 1640 ft. 
(500m) "only" 25 million years ago, alluvial 
diamonds are to be found as far as 295 ft. 
(90m) above sea level; in very shallow 
coastal areas; and on out into deeper 
waters. Presently diamondiferous gravels 
are being mined in waters as deep as 426 ft. 
(130m), but Diamond Fields International is 
prospecting Cape Canyon offshore South 
Africa in 1,000 ft. (300m) water depths. 
Remote technology is being developed to 
carry out the harvest, assuming high-grade 
gravels are determined to be in these 
deeper waters.

background image

Ocean Diamonds

The geology of offshore southern Africa is 
too incredibly diamond-rich to be ignored for 
long; geologists estimate that ten billion 
carats of diamonds were eroded by the 
Orange River drainage system over a 100 
million year period. They originated from 
diamond-bearing geologic features called 
kimberlite pipes, which were thrust up 
volcanically into the African interior. Three 
billion carats are estimated to exist in 
mineable deposits along the southern 
African coastline, with an economic value 
approaching one trillion dollars.

background image

There are two primary methods of mining diamonds from the 
ocean floor: bucket line dredging
 and air lift dredging. The 
methods will vary depending on available equipment, water 
depth, and operator expertise. The nature of the gravel deposit 
can influence the dredging technique, with proprietary methods 
and technologies often being deployed.

A typical small air lift dredging operation will place a diver on 
the sea floor with a suction hose. The hose is located at the 
mine face, suction is effected, and alluvial gravels are 
vacuumed to the surface where they are processed. Diver 
operations are typically limited to 92 ft. (28m) using an 8" lift 
pipe.

Once the vacuuming starts, the diver is working in zero-
visibility, for all practical purposes, due to water turbidity. 
Boulder-sized rocks must frequently be pried loose and placed 
away from the mine face. As the diver works the air lift, he must 
be cautious that no loose rocks ‚ weighing up to a ton ‚ fall 
inward toward the pump nozzle, potentially causing injury to or 
trapping the diver. As an added hassle, kelp is often around to 
clog up the suction nozzle.

background image

Ocean Diamonds

The bucket line dredge consists of a vessel with a 
conveyor-type of assembly lowered to the seafloor, in 
which a rotating line of "buckets" carries bite after bite 
of alluvial gravels to the surface for processing.
Topside, the gravels are tumbled and screened. The 
resulting finer gravels are then "jigged," typically using a 
vibrating pan or similar system that takes advantage of 
the diamonds' higher specific gravity to segregate them. 
On smaller operations these functions take place on 
crude hand-tool level machinery, whereas the more 
sophisticated operators have automated most functions.

background image

Gold from the Sea

 

Gold ores worldwide in 1974 averaged 0.15 ounces troy per ton. 
By 1986 that average had dropped to 0.05 ounces per ton. As 
the concentration of these minable continental ores continues 
to diminish, the seas have increasingly become the object of 
exploration and research into gold reserves. Significant 
quantities of gold have been mined from ocean beach placers, 
and mid-oceanic ridges have yielded rich gold ore samples, but 
the greatest accessible reserve is the ocean itself. Seawater 
contains vast quantities of dissolved gold, perhaps as much as 
10 trillion dollars (US) worth, though in dilute concentrations. 

Recent evidence suggests that much of the earths continental 
gold deposits have biological origins. Certain bacteria are 
believed to have been involved in the precipitation of gold out 
of dilute hydrothermal solutions. A possible avenue for 
commercially viable gold recovery from seawater might involve 
such a bacterium, or a specifically engineered microbe.

 

background image

Gold from the Sea

 

Seawater contains gold in solution. When considering 
only the data gathered since 1980, reported values for 
the concentration of gold in seawater have ranged 
from 5 to 50 ppt , with the average concentration at 
about 13 ppt. Some of the highest concentrations 
recently reported have come from seawater samples 
taken from the Bering Sea at 50 ppt (Pashkova 1988).
Much about the process of precipitation of gold and 
other metals from these solutions is unknown, 
however, it is believed that some sulfur-oxidizing 
bacteria of the genera Beggiatoa, Thiothrix or 
Thiovulum play an active role in this precipitation

 .

background image

These chemosynthetic bacteria derive energy unlike 
their surface dwelling relatives (assuming that they are 
related). Instead of deriving energy from the oxidation 
of organic mater, or from photosyntheses, they oxidize 
sulfide compounds directly from the scorching hot 
hydrothermal liquids. 

How these bacteria can live and even thrive at 200o C is 
a matter of much discussion and investigation, but 
evidence suggest that these bacteria can efficiently 
remove gold, silver, copper, and other metals and 
minerals from dilute aqueous solutions. Proposed 
methods for this deposition vary. One such method 
involves the increase in pH in the micro-environment of 
the microbial mats that line these vent chimneys. These 
metals are less soluble at the higher pH's and precipitate 
out of solution and are then stored within the cell walls .

 

background image

The possibility that certain bacteria can concentrate 
gold in amounts sufficient to comprise a major share of 
the Earth's gold ores suggest that with the right 
application, these or similar bacteria may be employed 
in the extraction of gold from low grade deposits or 
solutions. Already, there are commercial applications of 
bacteria in the mining of gold. Specifically, the bacteria 
Bacillus cereus is being used by the Canadian Genprobe 
Company to increase the yield of gold from pyrite ores . 
In this case the bacteria are after the pyrite matrix that 
binds the gold and prevents economic recovery 
otherwise. Bacterial processing of these pyrite ores is 
relatively inexpensive and has increased yields from an 
average of about 65% to as much as 96% . Given the 
affinity that some bacteria have for the concentration of 
gold, the question arises as to whether it might be 
feasible to employ such a bacterium, or one specifically 
engineered for the task, to scavenge gold directly from 
the dilute concentrations present in sea water.

 

background image

Introduction to Mine Engineering


Document Outline