建設(shè)帕瓦加達(dá)2千兆瓦太陽能電廠的利與弊

我們腳下蘊(yùn)藏著大量地?zé)崮?。但今天的鉆井方法很難穿透致密的巖石和高壓條件開采地?zé)崮?。新一代“加?qiáng)型”鉆井系統(tǒng)致力于克服這些障礙，實(shí)現(xiàn)前所未有的地?zé)峁┙o。

阿爾塔洛克能源公司（AltaRock Energy）正在努力利用毫米波使巖石熔化和汽化。

科學(xué)家們沒有采用刺耳的機(jī)械鉆井方法，而是采用回旋振蕩管（一種專業(yè)的高頻微波束生成器）在堅(jiān)硬的巖石板上開孔。

其目標(biāo)是用比傳統(tǒng)鉆井方法更快的速度和更低的成本穿透更深層的巖石。這家總部位于西雅圖的公司最近收到了美國能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃局（ARPA-E）提供的390萬美元政府撥款。

在這個(gè)為期3年的項(xiàng)目中，科學(xué)家們將不斷擴(kuò)大技術(shù)的示范規(guī)模，從燒穿手掌大小的樣品拓展到房間大小的厚板。

項(xiàng)目合作方表示，希望在2022年9月?lián)芸钇诮Y(jié)束之前，開始在現(xiàn)實(shí)世界的測(cè)試場(chǎng)地鉆井。阿爾塔洛克預(yù)計(jì)，僅0.1%的地?zé)崮芗纯蓾M足人類200萬年的能源總需求。

地球核心的溫度高達(dá)6000攝氏度，通過巖漿層、大陸地殼和沉積巖輻射熱量。在極深的地方，這種熱量可以為地球上的任何地方提供持續(xù)供給。但由于技術(shù)和財(cái)力的限制，大部分地?zé)犴?xiàng)目的深度不到3千米。

許多井是從靠近地表的間歇泉或溫泉汲取熱能的。盡管地?zé)崮軡摿薮?，但根?jù)國際可再生能源協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，地?zé)崮馨l(fā)電僅占全球發(fā)電容量的0.2%。

“現(xiàn)在我們的問題是如何獲取地?zé)崮?。”阿爾塔洛克子公司Quaise的首席執(zhí)行官卡洛斯?阿拉克（Carlos Araque）說，“希望在于，如果我們能鉆10到20千米深，我們基本就可獲得無限的能源。”

ARPA-E項(xiàng)目采用的技術(shù)是麻省理工學(xué)院等離子科學(xué)與聚變中心的高級(jí)研究工程師保羅?沃斯科夫（Paul Woskov）首先開發(fā)的。

從2008年開始，沃斯科夫及其同事便利用10千瓦的回旋振蕩管來產(chǎn)生頻率在30到300千兆赫的毫米波。在其他地方，毫米波用于多種目的，包括5G無線網(wǎng)絡(luò)、機(jī)場(chǎng)安檢和天文學(xué)等。

產(chǎn)生這些毫米波僅需要功率為幾毫瓦的電力，但要鉆透巖石則需要功率達(dá)到幾兆瓦。

一開始，麻省理工學(xué)院的研究人員在試驗(yàn)箱里放了一塊巖石，然后用金屬波導(dǎo)管引導(dǎo)大功率高頻波束沖擊巖石打孔。為了防止等離子體分解起火，研究人員在此過程中注入壓縮氣體。在試驗(yàn)中，毫米波鉆穿了花崗巖、玄武巖、砂巖和石灰?guī)r。

在ARPA-E撥款的支持下，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)將在美國田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室利用兆瓦級(jí)回旋管開發(fā)他們的工藝流程。

“我們正在嘗試推進(jìn)技術(shù)上的突破，為開發(fā)深層地?zé)崮茉撮_辟道路。”阿拉克說。其他的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)正在使用機(jī)械辦法從深井和熱源中提取能量。

冰島工程師們正在鉆探5千米深處兩大構(gòu)造板塊之間的巖漿層。澳大利亞、日本、墨西哥和美國西部（包括阿爾塔洛克的一個(gè)項(xiàng)目）的示范項(xiàng)目則在大陸巖石上鉆探人工裂縫，工程師向裂縫注入水或液體生物質(zhì)，然后再將它們泵回地面。

當(dāng)液體溫度超過374攝氏度、壓強(qiáng)超過22100千帕?xí)r，液體將變成“超臨界”流體，比一般鉆井中的水更容易流動(dòng)，能更有效地傳輸能量。

但這種方式會(huì)引發(fā)地震活動(dòng)，瑞士和韓國的項(xiàng)目在地震襲擾周邊城市后被關(guān)閉。而毫米波鉆探則不存在這樣的風(fēng)險(xiǎn)。

阿拉克表示，雖然波束會(huì)溢出鉆孔，但損害可限制在地下深處。位于美國達(dá)拉斯的南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)的地?zé)釋?shí)驗(yàn)室協(xié)調(diào)員瑪利亞?理查茲（Maria Richards）說，使用毫米波的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，可以在幾乎任何地方進(jìn)行鉆探，包括現(xiàn)有發(fā)電站旁邊。

在被關(guān)閉的煤礦設(shè)施中，地下深層的地?zé)峋僧a(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有的渦輪機(jī)。此前，得克薩斯州的實(shí)驗(yàn)室探索過利用地?zé)崮軒椭烊粴獍l(fā)電廠更高效地運(yùn)行。

“最終發(fā)現(xiàn)它的成本太高了。但如果我們能鉆得更深，獲得更高溫度的地?zé)?，像我們這樣的項(xiàng)目就很可能會(huì)贏利。”理查茲說。她提到，毫米波也可以用于開采海上高壓油氣藏，那里太危險(xiǎn)，機(jī)械鉆無法工作。

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