This paper presents the explorations of hydrothermal vents located in the Marina Arc and Back Arc Basin using the deep-sea ROV Hemire. These explorations were conducted by KRISO and KIOST to demonstrate the capability of Hemire in various applications for deep-sea scientific research. The missions i...
This paper presents the explorations of hydrothermal vents located in the Marina Arc and Back Arc Basin using the deep-sea ROV Hemire. These explorations were conducted by KRISO and KIOST to demonstrate the capability of Hemire in various applications for deep-sea scientific research. The missions included the following: (1) to search the reported vents, (2) conduct visual inspections, (3) deploy/recover a sediment trap and bait traps, (4) sample sediment/water/rock, (5) measure the magnetic field at the vent site, and (6) acquire a detailed map using multi-beam sonar near the bottom. We installed three HD cameras for precise visual inspection, a high-temperature thermometer, a three-component magnetometer, and a multi-beam sonar to acquire details of the bottom contour or identify vents in the survey area. The explorations were performed in an expedition from March 23 to April 5, 2016, and the missions were successfully completed. This paper discusses the operational process, navigation, and control of Hemire, as well as the exploration results.
This paper presents the explorations of hydrothermal vents located in the Marina Arc and Back Arc Basin using the deep-sea ROV Hemire. These explorations were conducted by KRISO and KIOST to demonstrate the capability of Hemire in various applications for deep-sea scientific research. The missions included the following: (1) to search the reported vents, (2) conduct visual inspections, (3) deploy/recover a sediment trap and bait traps, (4) sample sediment/water/rock, (5) measure the magnetic field at the vent site, and (6) acquire a detailed map using multi-beam sonar near the bottom. We installed three HD cameras for precise visual inspection, a high-temperature thermometer, a three-component magnetometer, and a multi-beam sonar to acquire details of the bottom contour or identify vents in the survey area. The explorations were performed in an expedition from March 23 to April 5, 2016, and the missions were successfully completed. This paper discusses the operational process, navigation, and control of Hemire, as well as the exploration results.
본 논문은 심해무인잠수정 해미래를 이용한 남마리아나 아크 해저화산과 열수분출공 탐사에 관한 것이다. 탐사는 1,500m 수심의 포케스트 해저화산과 3,000m 수심의 후열도 확장대 알키안 열수해역에서 수행됐다.
, 2007). 해미래의 해저화산 탐사작업은 열수공 수색, 영상관측 및 주변해역에서의 해양과학 데이터 취득을 목적으로 한다. 이를 위하여 CTD(Conductivity, temperature and depth) 센서, CO2-CH4(이산화탄소-메탄) 센서를 활용한 해양물리자료 획득, 푸시코어(Push core), 스쿠프(Scoop), 채수장치(Niskin bottle), 미끼어망 (bait trap) 등을 활용한 지질·생물시료 획득, 열수공으로부터 분출되는 입자플럭스 측정을 위한 침전물포집장치(Sediment trap)의 설치·회수, 해저면 근접 정밀 지형 측정 및 해저화산 주변의 지자기 측정 시험 등을 포함한다.
가설 설정
이 포집장치는 해류에 밀리거나 쓰러지는 것을 방지하기 위하여 발라스트 웨이트를 하부 프레임에 부착했고, 중간에 손잡이를 장착해 공기중 중량이 약 60kg(수중 약 33kg)에 이른다. 해저 설치·회수 방법은 포집장치를 해미래 툴슬레드에 적재해 해저로 보내고 로봇팔을 이용해 지정위치에 설치·회수하는 것으로 정했다. Fig.
제안 방법
마리아나 해역 열수탐사는 2016년 3월 23일부터 4월 5일까지 14일 일정으로 수행됐고, 이 탐사를 통해 심해무인잠수정 해미래의 열수분출공 탐사 기능을 확인할 수 있다. 본 논문은 2장에 열수탐사를 위한 해미래의 HD 카메라 시스템 확장, 열수계측센서 및 기타 탐사장비 인터페이스에 대해 설명하고, 3장에 열수탐사를 위한 잠수정 운용 프로세스, 임무에 따른 제어 절차, 데이터 분석 및 탐사결과를 기술하고, 마지막 장에 결론을 정리했다.
마리아나 해저화산 및 후열도 확장대 탐사를 위한 지역은 당초 포케스트(Forecast) 해저화산, Seamount X, 남마리아나 후열도 확장대(Archaean vent site) 등 열수활동이 알려진 세 곳이었으나, 탐사를 진행하면서 두 지역에 집중했다.
300℃ 이상의 열수 온도측정을 위해서는, 고온센서를 로봇팔로 집어 2m 이상 떨어진 거리의 열수 온도를 측정할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 이를 위하여 전용 고온센서를 개발했다. 온도센서는 백금 RTD(Resistance temperature detector) 프로브와 변환기(Muesen Technik, HART MTS885; 범위: -200~600℃)를 이용하고 독립 내압용기에 통신변환기를 내장해 제작했다.
해미래가 궤적을 따라 이동하기 위해서는 해누비가 함께 이동해야 하는데, 온누리호가 해누비를 정확한 궤적으로 이동하도록 예인하는 것은 거의 불가능하다. 본 연구에서는 해누비가 측선을 개략적으로 따라가도록 온누리호 항해사가 해누비 위치를 모니터링하면서 모선을 수동으로 조종했고, 해누비가 이동하는 궤적을 따라 해미래를 조종하며 지자기를 측정했다. Fig.
수중부력이 변하는 경우에는 순방향 제어성분을 변경하는 것이 필요하다. 본 연구에서는, 해미래가 침전물포집장치를 설치한 이후, 수동제어 모드로 전환하여 추진기를 수동으로 제어하며 심도를 유지하는 수직추진기 명령을 찾았으며, 이 값을 순방향 궤환 제어력으로 대체하고, 심도제어 모드로 전환하여 자동제어를 수행했다. 본 실험에서 해미래는 일정 수심을 유지하도록 심도제어를 수행하면서 궤적을 추적했다.
해미래의 해저화산 탐사작업은 열수공 수색, 영상관측 및 주변해역에서의 해양과학 데이터 취득을 목적으로 한다. 이를 위하여 CTD(Conductivity, temperature and depth) 센서, CO2-CH4(이산화탄소-메탄) 센서를 활용한 해양물리자료 획득, 푸시코어(Push core), 스쿠프(Scoop), 채수장치(Niskin bottle), 미끼어망 (bait trap) 등을 활용한 지질·생물시료 획득, 열수공으로부터 분출되는 입자플럭스 측정을 위한 침전물포집장치(Sediment trap)의 설치·회수, 해저면 근접 정밀 지형 측정 및 해저화산 주변의 지자기 측정 시험 등을 포함한다.
본 논문은 심해무인잠수정 해미래를 이용한 남마리아나 아크 해저화산과 열수분출공 탐사에 관한 것이다. 탐사는 1,500m 수심의 포케스트 해저화산과 3,000m 수심의 후열도 확장대 알키안 열수해역에서 수행됐다. 이번 탐사를 통하여, 지형 변화가 심한 해저화산 지역에서 열수분출공을 수색하고, 침전물 포집장치와 미끼어망을 설치하고 회수하는 임무 등을 성공적으로 수행함으로써 해미래의 운항제어 및 탐사성능을 입증했다.
이 사업의 2단계 연구로 2007년부터 2012년까지 해미래를 이용한 활용연구가 진행됐다(Lee, 2012). 해미래를 이용한 동해탐사는 지금까지 7회 수행됐으며, 2015년 6월에는 15일 탐사 일정으로 동해의 관심해역 8개 지점에 대해 심해 퇴적물 채집, 생물 채집, 심해생태계 관찰 및 심해저환경 모니터링 등을 수행했다(Kim et al., 2015a).
해미래에 장착된 멀티빔소나와 3성분자력계를 이용하여 해저면 근접 정밀지형조사 및 지자기 변화를 계측했다. 이 실험은 침전물포집장치 설치 임무를 완수한 이후 이어서 수행됐다.
대상 데이터
심해화산과 같이 지형변화가 심한 급경사 지역을 대상으로 해미래의 탐사 성능을 검증할 필요가 있었고, 이에 따라 2016년에는 지형변화가 심한 해저화산 탐사를 결정했다. 대상 해역은 연구가 활발히 진행되었던 남마리아나 아크 해저화산 지역으로 선정했으며, 해미래의 탐사성능을 검증하고 보완하기 위한 목적으로 열수분출공 정밀탐사가 추진됐다.
비록 궤적은 곡선이나 해미래의 위치, 운동과 자세 측정치를 이용하여 지자기 측정값을 보정할 수 있다. 지자기 측정결과는 한국해양연구원 심해저광물자원연구센터에서 분석중이다. 그림에서 하단의 ‘8’자 궤적은 지자기 센서의 캘리브레이션을 위한 것으로써 8자 궤적을 2회 반복하였다.
침전물포집장치는 한국해양과학기술원이 보유한 시계열 퇴적물 포집장치(McLane Parflux Mark8–3; 높이 116cm, 폭 66cm, 포집표면적 0.25m2, 중량 공기중 42kg, 수중 18kg)를 이용했다. 이 포집장치는 해류에 밀리거나 쓰러지는 것을 방지하기 위하여 발라스트 웨이트를 하부 프레임에 부착했고, 중간에 손잡이를 장착해 공기중 중량이 약 60kg(수중 약 33kg)에 이른다.
탐사대상해역은 1,500m 수심의 Forecast 해저화산과 3,000m 수심의 Archaean 열수분출공 지역으로 선정됐다. 이곳은 서태평양 미국령 괌에서 서쪽 70-150km에 위치한 마리아나 열도 및 후열도 확장대(Fig.
성능/효과
또한 열수측정을 위한 고온센서를 개발했고, HD 카메라를 3채널로 확대하여 해미래를 이용한 심해탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 기반을 만들었다. 다수의 HD 카메라를 각각 조종하여 해저환경을 모니터링하고, 다각도에서 수중작업 상황을 입체적으로 감시함으로써 효율적인 탐사가 이루어졌다. 해미래의 USBL 위치정밀도는 1,500m 수심에서 약 4.
이번 탐사를 통하여, 지형 변화가 심한 해저화산 지역에서 열수분출공을 수색하고, 침전물 포집장치와 미끼어망을 설치하고 회수하는 임무 등을 성공적으로 수행함으로써 해미래의 운항제어 및 탐사성능을 입증했다. 또한 열수측정을 위한 고온센서를 개발했고, HD 카메라를 3채널로 확대하여 해미래를 이용한 심해탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 기반을 만들었다. 다수의 HD 카메라를 각각 조종하여 해저환경을 모니터링하고, 다각도에서 수중작업 상황을 입체적으로 감시함으로써 효율적인 탐사가 이루어졌다.
해미래를 이용한 첫 심해열수 탐사를 통하여 두 지역에서 서로 다른 열수분출공에 대한 영상자료를 얻었고, 열수생태계 정밀관찰, 생물·광물·퇴적물·해수 시료 취득 등 다양한 성과를 올렸다. 이번 탐사는 우리나라 잠수정과 연구조사선으로 우리나라 과학자와 공학자가 협동하여 열수분출공을 성공적으로 탐사했다는 데에 그 의의가 있다. 앞으로 해미래의 활용 기회가 확대될 것으로 예상되며, 이에 대비해 운용전담인력 확보와 유지관리 인프라의 조기 구축이 필요하다.
탐사는 1,500m 수심의 포케스트 해저화산과 3,000m 수심의 후열도 확장대 알키안 열수해역에서 수행됐다. 이번 탐사를 통하여, 지형 변화가 심한 해저화산 지역에서 열수분출공을 수색하고, 침전물 포집장치와 미끼어망을 설치하고 회수하는 임무 등을 성공적으로 수행함으로써 해미래의 운항제어 및 탐사성능을 입증했다. 또한 열수측정을 위한 고온센서를 개발했고, HD 카메라를 3채널로 확대하여 해미래를 이용한 심해탐사를 효과적으로 수행할 수 있는 기반을 만들었다.
향후 USBL 신호를 항법시스템에 융합하여 안정한 연속 위치정보를 제공하는 복합항법 기술개발이 필요하다. 해미래를 이용한 첫 심해열수 탐사를 통하여 두 지역에서 서로 다른 열수분출공에 대한 영상자료를 얻었고, 열수생태계 정밀관찰, 생물·광물·퇴적물·해수 시료 취득 등 다양한 성과를 올렸다. 이번 탐사는 우리나라 잠수정과 연구조사선으로 우리나라 과학자와 공학자가 협동하여 열수분출공을 성공적으로 탐사했다는 데에 그 의의가 있다.
다수의 HD 카메라를 각각 조종하여 해저환경을 모니터링하고, 다각도에서 수중작업 상황을 입체적으로 감시함으로써 효율적인 탐사가 이루어졌다. 해미래의 USBL 위치정밀도는 1,500m 수심에서 약 4.5m 표준편차를 보였다. DVL 신호를 보조센서로 이용하는 해미래 복합항법시스템은 드리프트하는 특성이 있으므로, 이번 탐사에서 주기적으로 또는 USBL과 항법시스템의 상대위치오차가 20m를 초과하는 경우에 USBL 신호로 항법시스템의 위치를 리셋했다.
후속연구
앞으로 해미래의 활용 기회가 확대될 것으로 예상되며, 이에 대비해 운용전담인력 확보와 유지관리 인프라의 조기 구축이 필요하다. 또한 다양한 심해탐사 요구에 대응하는 기능확장과 온누리호·이사부호 등 연구선 특성에 따른 특화된 운용방안이 개발되어야 한다.
이번 탐사는 우리나라 잠수정과 연구조사선으로 우리나라 과학자와 공학자가 협동하여 열수분출공을 성공적으로 탐사했다는 데에 그 의의가 있다. 앞으로 해미래의 활용 기회가 확대될 것으로 예상되며, 이에 대비해 운용전담인력 확보와 유지관리 인프라의 조기 구축이 필요하다. 또한 다양한 심해탐사 요구에 대응하는 기능확장과 온누리호·이사부호 등 연구선 특성에 따른 특화된 운용방안이 개발되어야 한다.
DVL 신호를 보조센서로 이용하는 해미래 복합항법시스템은 드리프트하는 특성이 있으므로, 이번 탐사에서 주기적으로 또는 USBL과 항법시스템의 상대위치오차가 20m를 초과하는 경우에 USBL 신호로 항법시스템의 위치를 리셋했다. 향후 USBL 신호를 항법시스템에 융합하여 안정한 연속 위치정보를 제공하는 복합항법 기술개발이 필요하다. 해미래를 이용한 첫 심해열수 탐사를 통하여 두 지역에서 서로 다른 열수분출공에 대한 영상자료를 얻었고, 열수생태계 정밀관찰, 생물·광물·퇴적물·해수 시료 취득 등 다양한 성과를 올렸다.
참고문헌 (12)
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