無盡的能源就在地下兩萬米！開發(fā)有賴于一項新技術(shù)
在科學(xué)研究的過程中，有些無心的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，往往取得了無心插柳柳成蔭的社會效果。比如說美國的星球大戰(zhàn)武器開發(fā)計劃，促成了互聯(lián)網(wǎng)的誕生，推動了近幾十年的全球IT產(chǎn)業(yè)，和互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。
另一個例子是可控核聚變的研究，為了模擬在太陽中心足以產(chǎn)生聚變反應(yīng)的超高溫環(huán)境，核聚變研究人員需要產(chǎn)生驚人的熱量，具體說，就是要產(chǎn)生和維持1.5億度的溫度范圍。最初于1960年代中期，在蘇聯(lián)開發(fā)可控核聚變裝置時，研究人員發(fā)現(xiàn)可以采用毫米波大幅加熱等離子體，毫米波回旋管在無線電的毫米波部分產(chǎn)生電磁波，其波長比微波短但比可見光或紅外光長。在20世紀(jì)70年代初，從事核聚變反應(yīng)堆托卡馬克設(shè)計的研究人員，發(fā)現(xiàn)這些毫米波是大幅加熱等離子體的絕佳方式。在過去50年里，毫米波回旋管的發(fā)展在核聚變研究的推動下取得了令人矚目的進(jìn)展。
事實上，現(xiàn)在已經(jīng)有能夠產(chǎn)生超過一兆瓦功率的，連續(xù)能量束的毫米波回旋管。毫米波有著類似光一樣的特性，可以高度集中定向傳送功率，如果將這么強(qiáng)大的功率，定向匯聚到能吸收毫米波能量的物體上，將會產(chǎn)生極高的熱能。要知道一個微波爐產(chǎn)生的微波功率也就1千瓦左右，一千倍的功率將產(chǎn)生何等驚人的加熱能量呀！
有了這樣的強(qiáng)大的毫米波回旋管，科學(xué)家在考慮能否用在其他用途。經(jīng)過測試，即使是堅硬的巖石，在足夠強(qiáng)度的毫米波照射下，也能吸收能量而發(fā)熱，破碎，融化甚至氣化蒸發(fā)。那么這種能力是否能用于巖石的開孔，鉆探？
在物理鉆頭難以操作的地方，研究人員一直在測試定向能量束的能力，用以加熱、熔化、斷裂甚至在鉆頭接觸到地下室?guī)r石之前將其蒸發(fā)，定向能可以使用激光，微波，毫米波等方式。你可以從下面Petra的“Swifty”鉆孔機(jī)器人的視頻中看到定向能對堅硬巖石的影響，雖然Petra并未透露到底是用什么來產(chǎn)生這種熱量。
90年代末的軍事科研實驗，表明激光輔助鉆井可以比傳統(tǒng)鉆井快10-100倍，但激光也有很多問題，激光鉆探缺乏進(jìn)展，有基本的物理學(xué)和技術(shù)原因。首先，激光能量會造成巖石汽化，產(chǎn)生灰塵和粒子云，隨后的激光在接觸到所需的巖石表面之前，就被（灰塵和粒子云）散射和吸收了。第二，激光技術(shù)在能量持續(xù)性、效率方面有缺陷，而且太昂貴。所以迄今為止，用激光器實現(xiàn)的最深的巖石鉆探，穿透力只有30厘米。
而頻率為30至300GHz的定向能毫米波，則可以繞射過這些灰塵和粒子云，避免了散射，在有小顆粒塵埃的情況下，可以比激光定向能更有效地將能量，傳遞到巖石表面。并且可以使用各種模式的波導(dǎo)（管道）系統(tǒng)，將連續(xù)的兆瓦級功率毫米波有效地（>90％），引導(dǎo)到很遠(yuǎn)的距離（>10公里）。最后一點非常有意思，定向能量鉆頭，能有效地?zé)扑虚_的巖石，在它前進(jìn)的過程中，熔化的巖石形成玻璃化層井壁，從而將流體、氣體、水等封住，這些滲出物，在以前的超深鉆探項目中造成了困擾。
人類曾經(jīng)成功鉆出的最深的洞，是Kola超深孔。這個位于俄羅斯靠近挪威邊境的項目，于1970年啟動，旨在刺穿地殼直至地幔，地殼的厚度在5-75公里之間變化，最薄的部分往往在深海中。Kola超深孔的其一個鉆孔，在1989年達(dá)到了12,289米的垂直深度，之后該團(tuán)隊認(rèn)為再深入下去已經(jīng)非常困難，并且資金已經(jīng)耗盡，在這個深度，預(yù)計溫度會在100℃左右，但實際上他們發(fā)現(xiàn)溫度更接近180℃。巖石的密度比預(yù)期的低，孔隙也比預(yù)期的多，這些因素伴隨著升高的熱量，造成了噩夢般的鉆探條件。
現(xiàn)在Kola遺址已經(jīng)完全失修，這個人類成就的巔峰之作，被稱為“地獄的入口”，現(xiàn)在成了一個被焊死的洞。現(xiàn)在網(wǎng)上更是添加了很多藝術(shù)渲染，說什么鉆到那個深度之后，聽到了什么恐怖的聲音。還有很多電影也添油加醋，說因為發(fā)現(xiàn)不尋常的恐怖生物，所以無法繼續(xù)深入鉆探。但現(xiàn)在，隨著科技的進(jìn)步，國外似乎又有重啟該項目的打算。
大家知道，社會及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使急劇增長的能源需求，而石油煤炭等礦物能源的使用，造成大量的溫室氣體排放。核裂變發(fā)電有環(huán)境和安全問題，核聚變能源發(fā)電尚未穩(wěn)定運(yùn)行。由于環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng)，提倡開發(fā)低碳環(huán)保的綠色能源，目前進(jìn)入使用階段的綠色能源主要是太陽能和風(fēng)能以及水力發(fā)電，前二者由于受限于自然因素極為不穩(wěn)定，而水力發(fā)電受限于環(huán)境條件影響。因此尋找一個穩(wěn)定可靠的替代綠色能源就成為了當(dāng)務(wù)之急。
每個人都知道地球的核心是熱的，據(jù)估計，地核核心的溫度約為5200℃，地核的高溫是由放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量，地月的潮汐能影響與跟地球形成時殘留的熱量結(jié)合而成。
地球表面下有如此多的熱量，只要開發(fā)其中的0.1%，就可以滿足整個世界2000多萬年的能源需求。
如果能使用地?zé)崮塬@取高溫超臨界水，可以直接替代現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電廠的燃煤、燃油、燃?xì)?，直接?qū)動現(xiàn)有機(jī)組發(fā)電，在不增加太多投資的情況下，讓面臨淘汰的世界各地的化石燃料發(fā)電廠獲得新生。
問題在于如何獲取高溫超臨界水。在地?zé)豳Y源豐富的地方當(dāng)然很容易獲得，如果正巧離電廠和電網(wǎng)足夠近，用來發(fā)電供電就毫無問題。太陽能，風(fēng)能都不穩(wěn)定，但地?zé)崾冀K是穩(wěn)定的可以全天候發(fā)電。當(dāng)然，滿足這樣的條件是相當(dāng)罕見的，因此，地?zé)崮壳爸还?yīng)全球能源消耗的0.3%左右。
從理論上說，如果我們能向地下鉆得足夠深，我們就可以把地?zé)岚l(fā)電站建在我們想要的任何地方。但說來容易做來難。地殼的厚度在5-75公里之間變化，最薄的部分往往在深海中。
德國在80年代末花了相當(dāng)于25億歐元，進(jìn)行了自己的深層鉆探嘗試，但德國大陸深層鉆探計劃(KTB)鉆孔，只鉆到了9,101米就終止了。同樣，溫度的上升遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于預(yù)期，而且KTB團(tuán)隊還驚訝地發(fā)現(xiàn)，這個深度的巖石并不是全是固體，大量的液體和氣體涌入鉆孔，這使得它們的工作變得更加復(fù)雜。
這個深度溫度高到足以阻撓現(xiàn)有技術(shù)繼續(xù)往更深層鉆探，但溫度還沒有熱到足以使地?zé)崮茉茨茼樌_發(fā)使用的程度。因此，盡管這些項目得到了寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，但顯然還需要開發(fā)新的技術(shù)才能釋放我們腳下的地?zé)釢摿Α?/p>
2018年，麻省理工學(xué)院的等離子體科學(xué)與聚變中心，推出了一家名為Quaise的企業(yè)，其專門致力于使用混合系統(tǒng)進(jìn)行超深地?zé)衢_發(fā)。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井，跟回旋管驅(qū)動的毫米波技術(shù)相結(jié)合，泵入氬氣作為清洗氣體來清潔和冷卻鉆孔，同時將巖石顆粒傳送回地面。
麻省理工學(xué)院(MIT)的附屬公司Quaise稱，他們準(zhǔn)備利用微波定向能技術(shù)，鉆出歷史上最深的洞并釋放出清潔的、幾乎無限的、超臨界的地?zé)崮茉础?/p>
Quaise計劃鉆探20公里深的孔，比Kola超深孔要深得多，Kola團(tuán)隊花了近20年時間才達(dá)到極限深度，Quaise預(yù)計如果用1兆瓦回旋管毫米波后，這個過程只需要100天。
在這個深度，Quaise預(yù)計將有500°C左右的溫度，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般的地?zé)豳Y源溫度，這在能源轉(zhuǎn)化效率上會有質(zhì)的飛躍。Quaise指出：“水在壓力超過22兆帕、溫度高于374℃時是一種超臨界流體。跟非超臨界電廠相比，使用超臨界水作為工作流體的電廠，可以從每一滴水中提取多達(dá)10倍的有用能量。以獲取超臨界水為目標(biāo)，是實現(xiàn)與化石燃料一致的功率密度的關(guān)鍵?！?/p>
Quaise計劃利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，如燃煤電廠，隨著排放限制越來越嚴(yán)格，這些電廠最終將會被停用。這些設(shè)施已經(jīng)擁有將蒸汽轉(zhuǎn)化為電能的能力，同時他們也擁有經(jīng)驗豐富的員工，具備成熟的商業(yè)運(yùn)營經(jīng)驗，而且它們已經(jīng)預(yù)先跟電網(wǎng)相連，所以轉(zhuǎn)換過程會非常方便。Quaise將簡單地用足夠的超臨界地?zé)崮?，取代他們目前的化石燃料熱源，以保持渦輪機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而無需再用燃煤或天然氣。
Quaise預(yù)計在2028年幫助第一個化石燃料工廠重新供電，然后繼續(xù)完善迭代技術(shù)，并在世界各地推廣這一新技術(shù)。因為利用這種鉆探技術(shù)，地球上任何地方都能開發(fā)出熱能。全世界有超過8500個燃煤電廠，總?cè)萘砍^2000千兆瓦，等到2050年，他們都可以通過這個技術(shù)獲得新生。
重要的是，跟大規(guī)模的太陽能和風(fēng)能相比，它幾乎不占用地表空間。而且它還將引發(fā)全球地緣政治的巨變，因為每個國家都可以平等地獲得自己的幾乎取之不盡的能源。
如果這項技術(shù)能像預(yù)期的那樣順利開發(fā)成功，這種幾乎隨取隨用的低成本能源，甚至有可能會最終讓核聚變反應(yīng)堆的開發(fā)都失去了意義。
小伙伴們！你們對此又怎么看呢？
參考文獻(xiàn)：
https://wenku.baidu.com/view/3c2ad2a0f90f76c660371a57.html
