眾所周知，太陽能和風能是可再生能源，但不常提及的地熱能，即地球內(nèi)部的熱量，也是重要的、規(guī)模極大、幾乎取之不盡的可再生能源之一。然而，地熱能一直以來都沒有得到普及，其原因主要是“巖石熱導率低”、“效率低”、“挖掘成本”等等問題，即使利用地熱發(fā)電量的美國，也只占其電力的 0.4%。

不過地熱能的開發(fā)難題似乎因一項技術(shù)的出現(xiàn)而改變——在2020年從美國麻省理工學院（MIT）獨立出來的一家公司“Quaise Energy”正在研發(fā)一個可以蒸發(fā)巖石的鉆頭，計劃往地下鉆20公里深，最終目標將超深、超臨界地熱能商業(yè)化。而迄今為止，該公司已得到約6300 萬美元的風投資金，可見其關(guān)(可)注（行）度（性）之高。

我們需要的所有能量都在我們的腳下！

相信每個人都知道地核很熱——中心的溫度估計約為 5200 °C，這是由放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量與地球形成過程中仍然存在的熱量相結(jié)合產(chǎn)生的——這是一場災(zāi)難性的暴力事件，當旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃云被自身的重力壓成一個球，這就是地熱能源行業(yè)喜歡稱其為“我們腳下的太陽”的原因。

根據(jù)麻省理工學院高級聚變研究工程師保羅·沃斯科夫（Paul Woskov）的說法，地球表面以下的熱量如此之多，僅利用其中的 0.1% 就可以滿足整個世界超過 2000 萬年的能源需求。

但當下非常棘手的問題是，用于石油和天然氣的鉆井設(shè)備無法承受極端深度的超高溫和超高壓，因此我們的地熱發(fā)電供應(yīng)主要限于火山地區(qū)（如冰島或薩爾瓦多）或炎熱地區(qū)地表附近的水庫。而且使用現(xiàn)有技術(shù)進行鉆探的成本也會隨著深度的增加而成倍增加——鉆探兩倍的深度成本是兩倍多，這極大地限制了我們可以建造地熱發(fā)電廠的地方。

人類歷史上鉆得最深的洞！

如果我們可以鉆得足夠深，我們可以將地熱發(fā)電站放在我們想要的任何地方，但這比聽起來要難。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。

人類歷史上曾鉆出的最深的洞是科拉超深鉆孔（The Kola Superdeep Borehole），這個位于挪威邊境附近的俄羅斯項目于 1970 年開始實施，旨在將地殼一直穿透到地幔，其中一個鉆孔在 1989 年達到了12262米的垂直深度。雖然團隊預(yù)計到1990 年將達到13.5 公里，到 1993 年達到15 公里，但他們在 1992 年被迫停止運營。在那個深度，鉆探團隊預(yù)計溫度會在 100°C左右，但實際上他們發(fā)現(xiàn)它更接近 180°C。巖石的密度低于預(yù)期，多孔性更強，這些因素與高溫相結(jié)合，創(chuàng)造了噩夢般的鉆井條件。

另外德國在 80 年代后期花25億歐元也鉆一個——KTB 鉆孔，但這個鉆孔項目在結(jié)束前只達到了 9101 米。同時鉆探記錄顯示，溫度上升的時間比預(yù)期的要早，KTB 團隊也驚訝地發(fā)現(xiàn)這個深度的巖石不是固體，大量的流體和氣體涌入鉆孔，使工作更加復雜。簡單來說，使用傳統(tǒng)設(shè)備在非常深的地下鉆探在技術(shù)上是可行的，但鉆得越深，溫度越高，越要不停地停鉆換鉆頭，成本太高不可行。

PS：2008 年，卡塔爾 Al Shaheen 油田鉆探達到12289 米；2011 年，俄羅斯庫頁島近海的Sakhalin-I Odoptu OP-11井深度達12376 米。

那我們換一個耐用的鉆頭是否可行呢？

其實在90年代后期的軍事實驗中，研究人員利用激光輔助鉆頭進行鉆探，可比傳統(tǒng)鉆孔快 10-100 倍地穿過巖石，但激光輔佐鉆孔也不現(xiàn)實，比如能量在鉆孔的過程中熔化鉆孔軸、激光技術(shù)昂貴等等。

正所謂柳暗花明又一村，隨著核聚變技術(shù)的發(fā)展，科學家發(fā)現(xiàn)毫米波是大幅加熱等離子體的絕佳方式，如果利用毫米波來鉆探是否可行呢？頻率為 30 至 300 GHz、波長為 1 毫米至 10 毫米的超高頻范圍（EHF）的射頻或電磁（非電離）輻射稱為毫米波（MMW），其高能量束可熔化和蒸發(fā)巖石。

因此在2000年左右，毫米波鉆探技術(shù)開始被研究并為人所知，而從麻省理工學院的等離子科學與融合中心獨立出來的“Quaise Energy”似乎是最接近走出實驗室并在現(xiàn)場進行測試的公司。在2017年的實驗中，研究人員用大約 1.4 MW 的 3.2 毫米（95 GHz）波長光束在玄武巖中打出一個直徑為 20 厘米的孔。

所以“Quaise Energy”在基于突破性的聚變研究和成熟的鉆井實踐，開發(fā)一種全新的超深鉆井方法——傳統(tǒng)鉆探設(shè)備結(jié)合回旋加速器驅(qū)動的高功率毫米波，簡稱“波鉆”。先用傳統(tǒng)的旋挖鉆到地下巖層，然后切換到高功率毫米波以達到前所未有的深度，同時泵入氣體（氮氣或氬氣）蒸發(fā)巖層，并將氣體蒸發(fā)的材料帶到地表。

而Quaise Energy的最終目標是往地下鉆到20公里深。根據(jù)其公布的時間計劃，第一臺能夠到達 100 至 1000 米深度的鉆探機器應(yīng)該可以在 2024 年進行演示，并計劃在 2028 年能夠開始接管舊的燃煤發(fā)電站，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝麆恿ρb置，盡管目前尚不清楚他們當時將在哪里或在什么深度鉆探。

為什么要達到 20 公里的深度？

可能有人疑惑，“Quaise Energy”開發(fā)地熱能一定要鉆到地下20公里深嗎？這里的關(guān)鍵原因是在地殼中尋找更高的溫度和壓力以實現(xiàn)超臨界水條件。

物質(zhì)的超臨界狀態(tài)是在高于其臨界值的溫度和壓力下，并且在攜帶物質(zhì)時觀察到。當水的壓力高于 22 MPa，溫度高于 374 °C時，它變成“超臨界”，即一個既不是液態(tài)也不是氣態(tài)的狀態(tài)，但同時具有與液態(tài)、氣態(tài)相同的特性。在這個狀態(tài)下，每一滴超臨界水的質(zhì)量比水或蒸汽高得多，這意味著它每單位質(zhì)量的能量高出 4 到 10 倍。其次超臨界水是如此的熱，以至于它轉(zhuǎn)換成電能的卡諾效率幾乎翻了一番。也就是說，更多的能量來自于 20 公里深度的地熱井，從而產(chǎn)生更多的電力。

最后，如果如果Quaise計劃成功，我們不需要為太陽能裝置和風力渦輪機清理大片土地，也不需要安裝巨大的備用電池——我們只需在現(xiàn)有發(fā)電廠旁邊鉆探，就可以利用地熱能，而且是全天候運行，到時能源問題將不再是問題。就目前來說，這項技術(shù)仍然是一個白日夢，需要時間去證明。但不管怎樣，這個看起來不那么“烏托邦”的技術(shù)，至少值得一試。