聚变技术将开启近乎无限的超深层地热能源开采

我们脚下的热量

每个人都知道地球的核心是热的，但它的规模或许仍有能力让人吃惊。据估计，地核铁心的温度约为5200℃，由放射性元素衰变产生的热量与跟地球形成时残留的热量结合而成--当一团旋转的气体和尘埃被自身的重力压成一团时发生了一场灾难性的暴力。

哪里有热哪里就有可收获的地热能。根据麻省理工学院高级核聚变研究工程师Paul Woskov的说法，地球表面以下有如此多的热量，只要开发其中的0.1%就可以满足整个世界2000多万年的能源需求。

问题在于获取。在地下热源自然发生在靠近地表的地方很容易获得，而且离相关电网足够近就可以进行经济上可行的传输，地热成为了完全可靠、全天候的绿色发电的罕见例子。太阳停止照耀，风停止吹拂，但岩石始终是热的。当然，这些条件是相当罕见的，因此，地热目前只供应全球能源消耗的0.3%左右。

人类历史上最深的洞是不够深的

如果我们能钻得足够深，我们就可以把地热发电站放在我们想要的任何地方。但这比听起来要难。地壳的厚度在5-75公里之间变化，最薄的部分往往在深海中。

人类曾经成功钻出的最深的洞是Kola超深孔。这个位于挪威边境附近的俄罗斯项目于1970年启动，旨在刺穿地壳直至地幔，其一个钻孔在1989年达到了12,289米的垂直深度，之后该团队认为再深入下去是不可行的，并且资金已经耗尽。

在这个深度，科拉小组成员预计温度会在100℃左右，但实际上他们发现温度更接近180℃。岩石的密度比预期的低，孔隙比预期的多，这些因素跟升高的热量结合在一起并造成了噩梦般的钻探条件。Kola遗址已经完全失修，这个“地狱的入口”--一个人类成就的巅峰（或许是低谷）现在成了一个无名的、被焊死的洞。

德国在80年代末花了相当于25亿欧元建造了自己的版本，但德国大陆深层钻探计划(KTB)钻孔只钻到了9,101米就终止了。同样，温度的上升远远早于预期，而且KTB团队还惊讶地发现，这个深度的岩石并不是固体，大量的液体和气体涌入钻孔，这使得它们的工作变得更加复杂。

这些温度高到足以阻挠钻探过程，但还没有热到足以使地热能源事业大展宏图。因此，尽管这些项目和其他项目都是宝贵的科学资源，但需要新技术来释放我们脚下的地热潜力。

能源直接钻探

在物理钻头难以操作的地方，研究人员一直在测试定向能量束的能力，以加热、熔化、断裂甚至在钻头接触到地下室岩石之前将其蒸发。你可以从下面Petra的“Swifty”钻孔机器人的GIF中看到溅射对坚硬岩石的影响，不过Petra并未透露到底是用什么来产生这种热量。

90年代末的军事实验显示了有前景的结果，表明激光辅助钻井可以比传统钻井快10-100倍，你可以打赌这对石油和天然气公司来说是非常有意义的。

Impact Technologies总裁Kenneth Oglesby在2014年MIT为美国能源部地热技术项目撰写的报告中写道，能源直接钻探过程将提供一些巨大的优势：井筒中没有可能磨损或断裂的机械系统；没有温度限制；容易穿透任何岩石硬度；有可能用耐用的陶土衬垫来取代对外壳/水泥的需求。

最后一点非常有意思--直接能量钻头将有效地烧灼它所切开的岩石，在它前进的过程中熔化钻孔轴并将其玻璃化为玻璃层从而将流体、气体和其他污染物封住，这些污染物在以前的超深钻探项目中造成了问题。

但Oglesby写道，激光并不能解决这个问题。“迄今为止，用激光器实现的最深的岩石穿透力只有30厘米。激光钻探缺乏进展有基本的物理学和技术原因。首先，岩石提取粒子流与短波能量不相容，短波能量在接触到所需的岩石表面之前就被（灰尘和粒子云）散射和吸收了。第二，激光技术在能量、效率方面有缺陷，而且太昂贵。”

进入陀螺仪和毫米波能量束

看起来，解决方案可能来自核聚变的世界。为了复制在太阳中心粉碎原子的条件从而释放最安全和最清洁的核能形式，核聚变研究人员需要产生惊人的热量。就ITER项目而言，其谈论的是持续1.5亿度的范围。聚变研究一直是数十亿美元国际政府资金的受益者，因此它加速了其他领域的进展和商业化，否则可能没有预算。

一个例子是陀螺仪，这是一种最初于1960年代中期在苏联开发的设备。陀螺仪在光谱的毫米波部分产生电磁波，其波长比微波短但比可见光或红外光长。在20世纪70年代初，从事核聚变反应堆托卡马克设计的研究人员发现这些毫米波是大幅加热等离子体的绝佳方式，在过去50年里，陀螺仪的发展在核聚变研究和美国能源部的资助下取得了令人瞩目的进展。

事实上，能够产生超过一兆瓦功率的连续能量束的陀螺仪现在已经可以使用，这对深层钻探者来说是一个惊人的消息。“频率为30至300GHz的定向能毫米波岩石钻探的科学基础、技术可行性和经济潜力都很强大，”Ogilvy写道，“它避免了瑞利散射，在有小颗粒提取羽流的情况下可以比激光源更有效地将能量耦合/转移到岩石表面1012倍。连续的兆瓦级功率毫米波也可以使用各种模式和波导（管道）系统有效地（>90％）引导到很远的距离（>10公里），包括使用光滑孔盘绕和连接/连接管的潜力。”

Quaise: 超深层、超临界地热发电商业化

2018年，麻省理工学院的等离子体科学与聚变中心推出了一家名为Quaise的企业，其专门致力于使用混合系统进行超深地热。该系统将传统的旋转钻井跟陀螺仪驱动的毫米波技术相结合，泵入氩气作为清洗气体来清洁和冷却钻孔，同时将岩石颗粒发射回地表并避开。

迄今为止，该公司已经筹集了大约6300万美元，其中包括1800万美元的种子资金、500万美元的赠款及本月初完成的A轮融资4000万美元。

Quaise计划钻探20公里深的孔，比Kola超深孔要深得多--但Kola团队花了近20年时间才达到极限，Quaise预计其陀螺仪增强过程只需要100天。而这是假设一个1兆瓦的陀螺仪。

在这些深度，Quaise预计将发现500°C左右的温度，这已经远远超过了地热能源在效率上的巨大飞跃点。Quaise指出：“水在压力超过22兆帕、温度高于374℃时是一种超临界流体。跟非超临界电厂相比，使用超临界水作为工作流体的电厂可以从每一滴水中提取多达10倍的有用能量。以超临界条件为目标是实现与化石燃料一致的功率密度的关键。”

Quaise正在致力于开发全面的、可在现场部署的示范机，它曾这些示范机将在2024年开始运行。它计划到2026年使其第一个超热增强型地热系统达到100兆瓦的运行规模。

下一步是商业天才。Quaise计划利用现有的基础设施如燃煤电厂，随着排放限制越来越严格，这些电厂最终将被停用。这些设施已经拥有将蒸汽转化为电能的巨大能力以及成熟的商业运营商和经验丰富的劳动力，而且它们预先跟电网相连，所以使用非常方便。Quaise将简单地用足够的超临界地热能取代他们目前的化石燃料热源以保持涡轮机无限期地旋转，而无需另一块煤或一口沼气。

Quaise预计在2028年为其第一个化石燃料工厂重新供电，然后继续完善并在世界各地复制这一过程，因为利用这种钻探技术，地球上任何地方都应该有热能。全世界有超8500个燃煤电厂，总容量超过2000千兆瓦，等到2050年，他们都必须找到其他的事情做，所以这个机会显然是巨大的。

Prelude Ventures董事总经理Mark Cupta说道：“在未来几十年里，我们需要大量的无碳能源。Quaise能源公司为我们的星球提供了资源效率最高、几乎可以无限扩展的解决方案之一。它是对我们目前的可再生能源解决方案的完美补充，使我们能够在不太遥远的未来达到可持续的基数电力。”

如果这项技术像预期的那样运作且经济上也有好处，那么陀螺仪的这种新用途可能会最终让核聚变反应堆失去工作。重要的是，跟工业规模的太阳能和风能相比，它几乎不占用表面空间。它还将引发全球地缘政治的转变，因为每个国家都可以平等地获得自己的几乎取之不尽的能源。