Как бурение самых глубоких скважин в мире может помочь в борьбе с изменением климата

Приближение к горячему солнцу ядру Земли является ключом к масштабированию геотермальных энергетических установок. Но копать землю на несколько миль сложнее, чем кажется.

Обширная геотермальная энергия, спрятанная под поверхностью Земли, заставляет ученых пускать слюни, потому что она потенциально может обеспечить чистую энергию для всего мира. Чтобы задействовать эту природную силу, инженеры должны разработать новую стратегию бурения на глубину дюжины миль вглубь Земли, глубоко в горных породах. Дочерняя компания Массачусетского технологического института считает, что у нее есть ответ: бурение на миллиметровых волнах.

«Общее энергосодержание тепла, хранящегося под землей, превышает нашу годовую потребность планеты в энергии в миллиард раз», — говорит Мэтт Уд, соучредитель Quaise Energy, в пресс-релизе. «Таким образом, использования некоторой части этого более чем достаточно для удовлетворения наших энергетических потребностей в обозримом будущем».

Проблема только в постукивании.

Используя исследования Пола Воскова из Центра науки о плазме и термоядерном технологическом институте Массачусетского технологического института, компания Quaise Energy полагает, что сможет испарить достаточно горной породы, чтобы создать самые глубокие дыры в мире, и собрать геотермальную энергию в таком масштабе, чтобы удовлетворить потребление энергии человеком без необходимости использования ископаемого топлива.

Проще говоря, геотермальная энергия — это тепло, содержащееся глубоко в недрах Земли. По данным Управления энергетической информации США, это тепло является результатом медленного распада радиоактивных частиц, таких как уран, торий и калий, в ядре Земли. Здесь может быть довольно жарко — как поверхность Солнца, раскаленная до 10 800 градусов по Фаренгейту.

Чтобы использовать эту геотермальную энергию, такие страны, как Исландия, преобразуют ее в электричество с помощью пара. Когда вода нагревается в геотермальных резервуарах или водоносных горизонтах в недрах Земли, образуется пар, который затем вращает турбины, которые активируют генератор, в конечном итоге выделяя электричество. Когда пар снова становится водой, он возвращается в землю, чтобы снова пройти цикл.

Хотя это практически безграничная форма устойчивого производства энергии, в настоящее время она используется недостаточно. По данным Международного энергетического агентства, производство геотермальной электроэнергии в 2020 году выросло всего примерно на 2 процента с добавлением 200 мегаватт мощности, что является заметным падением по сравнению с ростом, наблюдавшимся в предыдущие пять лет. По данным Союза обеспокоенных ученых, типичная угольная электростанция имеет мощность около 600 МВт.

Чтобы достичь нулевых выбросов к 2030 году, глобальное производство геотермальной энергии должно увеличиваться на 13 процентов каждый год в период с 2021 по 2030 год, или около 3,6 гигаватт мощности. Чтобы это произошло, нам нужен лучший доступ к этой сверхгорячей воде из ядра Земли. Вот тут-то и пригодится бурение на миллиметровых волнах.

В настоящее время самой глубокой пробуренной скважиной в мире является Кольская сверхглубокая скважина в России недалеко от Норвегии. Проект Советского Союза – и результат менее известной научной гонки с США – это была попытка как можно глубже пробурить земную кору, толщина которой в среднем составляет около 30 километров (18,6 миль) под континентами. По данным Геологической службы США. Но эта дыра достигает глубины земной коры всего на 7,6 миль, и на ее освоение ушло 20 лет, потому что обычное оборудование, такое как механические буры, не может справиться с условиями на таких глубинах.

Решением может стать технология Quaise, предназначенная для взрывания горных пород миллиметровыми волнами. Заменив обычные буровые долота энергией миллиметровых волн, питаемой от гиротрона, можно плавить, а затем испарять горную породу, создавая множество таких глубоких отверстий. Массачусетскому технологическому институту потребовалось более 15 лет, чтобы разработать общую методику в лаборатории, в конечном итоге продемонстрировав, что миллиметровые волны могут сверлить отверстия в базальте. Quaise утверждает, что его технология позволит ему проникнуть в землю на глубину 20 километров (12,4 мили), где температура достигает более 900 градусов по Фаренгейту.

План состоит в том, чтобы внедрить гибридную конструкцию, сначала используя традиционную технологию роторного бурения, разработанную нефтегазовой промышленностью, для прорыва поверхностных слоев Земли. Затем, как только бригады достигают породы фундамента, они переключаются на мощные миллиметровые волны, которые «идеально подходят для твердых, горячих, кристаллических пород глубоко в недрах, с которыми трудно справиться при обычном бурении», — говорит Уд.