!--PRELOADER-->

01_GUP - Grace Under Pressure

Jaques Rougerie Fondation - Architecture Competition 2023 - finalist project

GUP - Grace under pressure is a self-sufficient underwater habitat suitable for accommodating people engaged in work and research in the depths of the sea. It is designed to ensure energy and productive autonomy, minimizing external inputs. GUP can be placed in still largely unexplored environments, particularly on the slopes of underwater mountains, at depths ranging from 400 to 1,000 meters. Gup is divided into six main components:

• Primary fixing structure

• Secondary fixing structure

• Living spaces

• Work and research spaces

• Common spaces

• Technical spaces

The colony has a hybrid configuration because it is not exclusively limited to advanced research; it is also open to short or medium-term stays of individuals in a pelagic environment at depth.

02

It is estimated that there are about 30,000 underwater mountains on our planet, and only very few are known. In most cases, they are made up of volcanoes, either extinct or active, which usually rise sharply from the ocean floor from depths of 1,000 to 4,000 meters, sometimes just a few meters below the surface. GUP is designed to be placed along the steep sides of these mountains, particularly near the surface manifestations of hotspots, and in the presence of constant slope currents, often caused by canyons or narrowing of the seabed. In particular, the most suitable formations for placing GUP are the so-called submarine peaks: cone-shaped elevations over 1,000 meters high with very steep sides.

Energy Production - The sustaining energy for the colony is obtained from a hybrid combination of renewable sources, set up according to the potential of the location. The main processes used for transforming marine energy sources are:

• Conversion of thermal energy from hydrothermal emissions into electricity.

Hydrothermal vents host some of the most fascinating ecosystems on our Planet. Despite the fact the water that emerges from them has temperatures of over 400 degrees Celsius, there is intense vital activity near the vent openings. Unlike most terrestrial life that relies on photosynthetic food chains, in the dark abyssal depths (between 1,000 to 4,000 meters), life is sustained through chemosynthesis, utilizing chemical reactions rather than sunlight to produce energy. The production of electricity uses the Seebeck effect. That is a thermoelectric effect thanks to which a temperature difference generates a potential difference in a circuit made of metallic or semiconducting conductors. This effect is used by thermoelectric generators, which, while having relatively low efficiency (converting about 7% of thermal power into electric power), can access a continuous flow of hot high-temperature water. Advanced studies of these hydrothermal emissions would be carried out in the GUP in order to discover unknown nearby volcanic areas and to better understand the chemical mechanisms occurring within Earth's oceans.

03

• Conversion of deep-sea current motion into electricity - The principle of operation is analogous to that of wind energy, deriving electricity from the mechanical movement induced by water flow through submerged turbines consisting of rotating blades. The rotation of the blades around their axis and around the hub of the propeller generates excellent results.

• Conversion of water column energy into electricity (underwater hydroelectricity) - The operation of this type of device is directly inspired by that of hydroelectric power plants that harness the power of water and gravity. The principle involves creating a deep reservoir containing water stored at low pressure. A system of pumps and turbines connects this reservoir to a flexible air chamber positioned above. The electricity generated by the other transformation systems is used to pump water from the reservoir to the upper chamber and then release it when needed under the pressure of the water column above the chamber. This transition from the top to the bottom drives hydroelectric turbines, generating electricity again. The efficiency of these devices ranges between 70 and 80 percent and can rely on an unlimited number of charge and discharge cycles for long operational life.

• Conversion of wave motion into electricity - The hybrid energy system can also be supplemented by a surface field consisting of modules for generating electricity from wave motion.

04

Water Production - The production of drinkable water is achieved through a desalination plant that removes the saline fraction from seawater. The saltwater is initially taken from the sea and passes through a pre-filtration process in three stages (removing sand, bacteria and sulphates). Subsequently, the water is pushed at pressures between 55 and 70 bars (greater than osmotic pressure) through a membrane with pores (0.1 nm), allowing only water molecules to pass through, but not salts. Of course, the composition of brackish water varies depending on the geographic area and environmental conditions, but the percentage of dissolved salts present is relatively constant, averaging 35 g/L. Since drinkable water does not need to be completely salt-free, the treatment leaves a modest amount of saline carryover, around 25-50 mg/L. The remaining undistilled water is called brine and represents a product that cannot be directly discharged into the sea as it disrupts marine biodiversity. The effluents from desalination plants undergo additional treatments to produce new by-products for use in aquaculture, irrigation of salt-tolerant plants, recycling of salt (sodium chloride), and metals (magnesium, gypsum, sodium, calcium, potassium, chlorine, bromine). In the GUP, some laboratories could be activated for in-depth research to recover other important resources for the industrial sector (IT, automation, robotics) such as lithium, strontium, rubidium and uranium.

Air Production - The oxygen production system is the most delicate aspect of GUP because, in addition to providing breathable air, it must prevent the accumulation of toxic substances produced by the inhabitants. Most of the oxygen can be derived through the process of electrolysis, using electricity provided by the GUP hybrid system to separate the hydrogen and oxygen that make up the water obtained from the desalinators. By passing electrical energy through water, atoms separate and recombine in gaseous forms. However, hydrogen cannot be released directly into the sea; therefore, it will feed fuel cells that produce new energy in a closed cycle. In other words, fuel cells (similar in their operation to those used in automobiles) will use the waste H2 from electrolysis to produce new electricity and water as a new waste product.

To avoid the accumulation of toxic substances, carbon filters are installed to eliminate gases emitted by humans (methane, carbon dioxide, and ammonia exhaled from uric acid suspended in sweat). The air is also stored in buoyancy tanks that provide hydrostatic balance to the GUP, which can partly be used to allow occupants to breathe in case of emergencies. As a safety device, a snorkel tube can be raised and through it air is directly drawn from above the sea surface.

 

 

05

GUP - Grace under pressure - è un habitat sottomarino autosufficiente idoneo ad ospitare persone che si dedicano al lavoro e alla ricerca nelle profondità marine. È pensato per garantire autonomia energetica e produttiva, limitando al minimo gli apporti esterni. GUP può essere collocato in ambienti ancora sostanzialmente inesplorati, in particolare sulle pendici delle montagne sottomarine, a profondità variabile tra i 400 e gli 1000 metri. Gup è suddiviso in sei elementi costitutivi principali:

  • Struttura di fissaggio primaria
  • Struttura di fissaggio secondaria
  • Spazi abitativi
  • Spazi per il lavoro e la ricerca
  • Spazi comuni
  • Spazi tecnici

La colonia ha una configurazione ibrida poiché non ha uso esclusivo e limitato alla ricerca avanzata, essa è aperta anche alla permanenza per periodi brevi o medio lunghi di persone in un ambiente pelagico di profondità.  Si stima che sul nostro pianeta esistano circa 30.000 montagne sottomarine e solo pochissime sono conosciute. Nella maggior parte dei casi sono costituite da vulcani, estinti o attivi, che solitamente si ergono dal fondale oceanico a partire da una profondità di 1000 - 4000 metri e si innalzano bruscamente, talvolta fino a pochi metri dalla superficie. GUP è pensato per essere collocato lungo i fianchi ripidi di queste montagne in particolare in prossimità delle manifestazioni superficiali di punti caldi (hot spots) ed in presenza di correnti costanti di pendio, spesso causate da canyon o restringimenti del fondale. In particolare, le formazioni più adatte alla collocazione di GUP sono i cosiddetti picchi sottomarini: rilievi di forma conica alti più di 1000 m e dai fianchi molto ripidi.

Produzione di Energia

L’energia di sostentamento della colonia è ottenuta da un insieme ibrido di fonti rinnovabili, di volta in volta configurate a seconda delle potenzialità del luogo di collocazione. I principali processi di trasformazione della fonte energetica marina utilizzati sono:

  • Trasformazione in energia elettrica del calore ceduto dalle emissioni idrotermali.

Le sorgenti idrotermali ospitano alcuni degli ecosistemi più affascinanti del nostro Pianeta. Nonostante il fatto che l'acqua che fuoriesce abbia temperature di oltre 400 gradi centigradi, vicino alle bocche di emissione c’è un’intensa attività vitale. Contrariamente alla maggior parte della vita terrestre che si basa su una rete alimentare fotosintetica, nelle oscurità batipelagiche (tra 1.000 a 4.000 metri di profondità) la vita si sostiene grazie alla chemiosintesi, ossia sfrutta reazioni chimiche, anziché la luce solare, per produrre energia. La produzione di energia elettrica utilizza l’applicazione dell’effetto Seebeck. Un effetto termoelettrico per cui, in un circuito costituito da conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura genera una differenza di potenziale.  L’effetto è utilizzato da generatori termoelettrici i quali pur avendo un'efficienza abbastanza bassa, (convertono circa il 7% della potenza termica in potenza elettrica) possono accedere ad un flusso continuo di acqua calda ad alta temperatura. Nel GUP si svolgerebbero studi avanzati di tali emissioni idrotermali per scoprire aree vulcaniche vicine sconosciute e dall’altro per comprendere meglio i meccanismi chimici che avvengono all'interno degli oceani terrestri;

  • Trasformazione in energia elettrica del moto delle correnti di profondità.

Il principio di funzionamento è analogo a quello dell’energia eolica, ricavando energia elettrica dal movimento meccanico indotto dal flusso d’acqua attraverso turbine immerse costituite da pale rotanti. Le pale sfruttano la rotazione attorno al proprio asse e attorno al mozzo dell’elica, generando ottimi risultati.

  • Trasformazione in energia elettrica della colonna d’acqua (idroelettricità sottomarina).

Il funzionamento di questa tipologia di dispositivi è ispirato direttamente a quello delle centrali idroelettriche che sfruttano acqua e gravità. Il principio è di realizzare in profondità un serbatoio contenete acqua immagazzinata a bassa pressione. Un sistema di pompe e turbine collega questo serbatoio a una camera d’aria flessibile posizionata superiormente. L’elettricità generata dagli altri sistemi di trasformazione è utilizzata per pompare l’acqua dal serbatoio alla camera superiore per poi rilasciarla al momento del bisogno sotto la spinta della pressione della colonna d’acqua sopra la camera stessa. Il passaggio dall’alto al basso aziona a sua volta turbine idroelettriche producendo nuovamente elettricità. L’efficienza di questi dispositivi è compresa tra il 70 e l’80 per cento potendo inoltre contare su un numero illimitato di cicli di carica e scarica per una lunga durata operativa.

  • Trasformazione in energia elettrica del moto ondoso.

Il sistema energetico ibrido può essere completato anche da un campo di superficie costituito da moduli per la produzione di energia elettrica dal moto ondoso.

Produzione di Acqua

La produzione di acqua potabile è ottenuta con un impianto di dissalazione che rimuove la frazione salina dall’acqua di mare. L'acqua salata è prelevata dal mare e passa inizialmente attraverso un pre-filtraggio in tre stadi (rimuovendo sabbia, batteri, solfati). Successivamente l’acqua è spinta a pressioni comprese tra i 55 e i 70 bar (pressione maggiore della pressione osmotica) attraverso una membrana i cui pori hanno dimensioni dell'ordine dei 0,1 nm e che permette il solo passaggio delle molecole di acqua ma non dei sali. Ovviamente la composizione dell'acqua salmastra varia a seconda della zona geografica e delle condizioni ambientali, ma  la percentuale di sali disciolti presente è piuttosto costante, mediamente pari a 35 g/L. Poiché l'acqua potabile non deve essere priva di sali il trattamento lascia una modesta quantità di trascinamenti salini, dell'ordine dei 25-50 mg/l. L'acqua residua non dissalata è chiamata salamoia (brin) e rappresenta un prodotto che non può essere direttamente riversata in mare come scarico poiché disturba la biodiversità marina. Gli effluenti degli impianti di desalinizzazione sono pertanto oggetto di ulteriori trattamenti affinché siano disponibili nuovi sottoprodotti da utilizzare per l’acquacoltura, irrigazione di piante tolleranti la salinità, recupero del sale (cloruro di sodio) e di metalli (magnesio, gesso, sodio, calcio, potassio, cloro, bromo). Nel GUP alcuni laboratori potranno essere attivati per la ricerca in profondità proprio per questo settore di ricerca affinché possano essere recuperate altre risorse importanti per l’industria (IT, automazione, robotica) come litio, stronzio, rubidio ed uranio.

Produzione di aria

Il sistema di produzione di ossigeno è l’aspetto più delicato del GUP perché oltre a dover fornire aria respirabile deve previene l’accumulo delle sostanze tossiche prodotte dagli ospiti. La maggior parte dell’ossigeno potrà essere ricavato attraverso il processo di elettrolisi, utilizzando l’elettricità fornita dal sistema ibrido del GUP per separare l’idrogeno e l’ossigeno che compongono l’acqua ottenuta dai dissalatori. Conducendo energia elettrica attraverso l’acqua, gli atomi si separano e si ricombinano nelle forme gassose. L’idrogeno però non può essere lasciato defluire direttamente nel mare, pertanto, quest’ultimo andrà ad alimentare celle a combustibile che producono in un ciclo chiuso nuova energia.  In altre parole, le celle a combustibile (molto simili per funzionamento a quelle utilizzate nelle automobili) utilizzeranno l’H2 di scarto dell’elettrolisi producendo nuova elettricità e acqua come nuovo prodotto di scarto.

Per evitare invece l’accumulo di sostanze tossiche sono installati filtri al carbone che eliminano i gas emessi dagli esseri umani (metano, anidride carbonica e ammoniaca esalata dall’acido urico in sospensione nel sudore). L’aria è inoltre immagazzinata nei serbatori di galleggiamento a compensazione della gravità che danno equilibrio idrostatico al GUP ma che può in parte essere utilizzata permettendo agli ospiti di respirare in caso di emergenza. Come dispositivo di sicurezza può essere fatto emergere un tubo snorkel attraverso il quale l’aria viene aspirata direttamente al di sopra della superfice del mare.