دره نورث میلفورد، در غرب یوتا، محل آتشفشان‌های خاموش، ذخایر گدازه‌های زیرزمینی و پراکندگی‌های ابسیدین - شیشه آتشفشانی سیاه - است که مردم پایوت زمانی برای نوک پیکان و جواهرات جمع‌آوری می‌کردند. آب‌های زیرزمینی سوزان هنوز در برخی نقاط به سطح می‌جوشند. در چنین منظره‌ای، به یاد می‌آورید که نمای بیرونی سخت سیاره، جایی که ما تمام زندگی خود را در آن سپری می‌کنیم، آنقدر نازک است که آن را پوسته می‌نامیم. در همین حال، داخل فوق العاده گرم آن، با تخمین چهل و چهار تریلیون وات انرژی می سوزد. میلفورد زمانی شهر معدن سرب، نقره و طلا بود، اما وقتی در یک صبح آفتابی بهاری از این منطقه بازدید کردم، دانشمندی به نام جوزف مور به دنبال چیز دیگری بود: گرما.
گرمای استخراج شده از زیر زمین زمین گرمایی نامیده می شود - "گرمای زمین" به زبان یونانی باستان - و می تواند برای تولید بخار، چرخاندن توربین و تولید برق استفاده شود. تا همین اواخر، انسان ها تمایل داشتند مقادیر کمی را در مکان های نادری که در آن ظاهر می شود، مانند چشمه های آب گرم، برداشت کنند. ماموریت مور، به عنوان یک زمین شناس در دانشگاه یوتا و رهبر پروژه رصدخانه مرزی تحقیقات در انرژی زمین گرمایی (FORGE)، این است که "نقشه راه مورد نیاز برای ساخت مخازن زمین گرمایی در هر نقطه از جهان را توسعه دهد." این جاده طولانی است و بیشتر نقشه خالی است. بزرگترین مشکل حفاری مایل ها از طریق سنگ داغ به طور ایمن است. با این حال، اگر دانشمندان بتوانند این کار را انجام دهند، نسل بعدی انرژی زمین گرمایی می تواند انرژی پاک را برای قرن ها تامین کند.
در طول سفر من، سپاه مشاوران و کارگران خشن مور در حال حفاری پنجمین گمانه پروژه آزمایشی خود بودند. دکل آنها، مسلح به یک مته الماسی، مانند یک موشک بر فراز منظره روستایی قد برافراشته بود. مایل ها پانل خورشیدی و توربین های بادی در دوردست عقب نشینی کردند. این حفره، که در نهایت به شکل L در می آمد، پنج هزار فوت عمق داشت و تیم پنج هزار فوت دیگر به صورت افقی برای رفتن داشت. اما، قبل از اینکه بتوانند بیشتر حفاری کنند، باید یک لوله فولادی صد و پنجاه تنی را در حفره نصب می کردند و از سیمان مخصوص مقاوم در برابر حرارت برای چسباندن آن در جای خود استفاده می کردند. این لوله مانند یک نی عظیم بود که قرار بود آب گرم و بخار را از یک مخزن زیرزمینی مصنوعی منتقل کند - بدون آلوده کردن آب های زیرزمینی محلی یا ایجاد زلزله.
در ساعت 6:15 بعد از ظهر در 3 مه، سیمان شروع به جریان در حفره کرد. چهار ساعت بعد، بخشی از سیمان روی خود تا شد. صبح روز بعد، منبع سیمان تمام شد. مردان محاسبه کرده بودند که چقدر نیاز دارند. این امر عملیات سیصد میلیون دلاری را به یک توقف دیوانه وار رساند. مور، با شلوار جین آبی و کلاه ایمنی با مارک FORGE، با تامین کننده خود تماس گرفت. نزدیکترین دسته سیمان مناسب در پانصد مایلی، در بیکرزفیلد، کالیفرنیا قرار داشت. کامیون تا بعد از تاریکی هوا نمی رسید.
در حال حاضر، انرژی زمین گرمایی کمتر از یک درصد از نیازهای برق و گرمایش بشر را تامین می کند - سهم ناچیزی، تقریباً نامربوط. سوخت های فسیلی
اما یک خطر آشکار در مورد عکس های ماه وجود دارد: اغلب، آنها از دست می دهند. مارک جیکوبسون، استاد مهندسی استنفورد و نویسنده «
در سال 1890، دو برادر شروع به حفاری برای آب گرم در بویزی، آیداهو کردند. شرکت آنها به زودی اولین سیستم گرمایش منطقه ای زمین گرمایی جهان را ساخت. در سال 1904، یک کارآفرین ایتالیایی به نام پیرو کونتی یک توربین زمین گرمایی در توسکانی ساخت. این تنها پنج لامپ را تغذیه کرد، اما کونتی به ساخت Larderello 1، اولین نیروگاه زمین گرمایی و منبع تغذیه برای راه آهن و دو روستای نزدیک ادامه داد. این آزمایش‌های اولیه یکی از مزیت‌های کلیدی زمین گرمایی را نشان داد: می‌توان از آن برای تولید برق و گرمایش استفاده کرد که مجموعاً حدود سی و هشت درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی را تشکیل می‌دهند.
در دهه های شصت و هفتاد، Pacific Gas and Electric، یک شرکت خدمات رفاهی کالیفرنیا، یک نیروگاه برق زمین گرمایی در مقیاس صنعتی در Geysers، مجموعه ای از دریچه های بخار طبیعی Yellowstone-esque در شمال کالیفرنیا ساخت. این به بزرگترین نوع خود تبدیل شد و یک سوم از تولید زمین گرمایی آمریکا را تولید کرد. زمین گرمایی به طور فزاینده ای به عنوان مسیری به سوی استقلال انرژی ایالات متحده به نظر می رسید و وزنه برداران صنعت مانند شورون و فیلیپس کارخانه هایی را افتتاح کردند. اما مشکلات به زودی جمع شدند. دمای بالا باعث از کار افتادن تجهیزات حفاری شد. سودها ناچیز بود و سرمایه گذاری کمیاب بود. جف تستر، محقق قدیمی زمین گرمایی، به من گفت: «همه چیز یک چالش بود و هرگز پول کافی برای حل همه آن مشکلات مهندسی وجود نداشت.» تستر روی یک پروژه زمین گرمایی در لس آلاموس کار کرد که هدف آن تکمیل حفاری جهت دار بود. او گفت: «ما هرگز نتوانستیم این کار را انجام دهیم زیرا تکنیک‌ها در این زمینه بسیار نابالغ بودند.»
سپس، در دهه دو هزار، گسترش سریعی در شکست هیدرولیکی رخ داد، روشی برای حفاری که مایع را به سنگ سخت تزریق می‌کند و شکستگی‌هایی ایجاد می‌کند که از طریق آن سوخت‌های فسیلی می‌توانند جریان یابند. یک "انقلاب شیل" ذخایر عظیمی از نفت و گاز را آزاد کرد، باعث زلزله های کوچک، آلودگی آب های زیرزمینی و انتشار گازهای گلخانه ای در طول مسیر شد. با این حال، یک اثر جانبی مفید، انفجار کامبرین در شیوه های جدید حفاری - مانند حفاری افقی و سنجش مغناطیسی - بود که الهام بخش تجدید حیات زمین گرمایی شد. در سال 2005، وزارت انرژی به تستر، که در آن زمان استاد M.I.T. بود، مأموریت داد تا دوباره به این موضوع بپردازد. گزارش تیم او، "آینده انرژی زمین گرمایی"، محاسبه کرد که تنها دو درصد از گرمای موجود در چهار مایلی زیر خاک ایالات متحده می تواند کل نیازهای انرژی کشور را - دو هزار برابر - برآورده کند. مارک مک کلور، مدیر عامل شرکتی که نرم‌افزار و مشاوره را به صنایع نفت، گاز و زمین گرمایی ارائه می‌دهد، به من گفت: «این گزارش برای بسیاری از مردم، از جمله خود من، الهام‌بخش بود.»
نسل بعدی پروژه‌های انرژی زمین‌گرمایی - از جمله FORGE، در یوتا - مربوط به برداشت بخار طبیعی نبود، بلکه حفاری برای ایجاد بخار بود. این پروژه‌ها، که به عنوان سیستم‌های زمین‌گرمایی پیشرفته یا E.G.S. شناخته می‌شوند، عموماً آب را بین چاه‌های زیرزمینی به گردش در می‌آورند. سپس سنگ داغ آن را به بخار فوق گرم تبدیل می کند، که می تواند توربین ها را بچرخاند و برق تولید کند.
مهندسی چنین سیستمی در سنگ سخت و عمیق یک چالش بزرگ است. مور، زمین شناس FORGE، گفت که چاه ها باید با شبکه ای از شکستگی ها در سنگ مرتبط شوند، که او آن را به ترک هایی در یک شیشه تشبیه کرد. در نتیجه، بسیاری از همکاران او فرکرهای سابق هستند. یکی از آنها، پل استرود، مرا به گشت و گذار در دکل حفاری برد. ما از یک راه پله تند سی فوتی به یک اتاق کنترل محصور به نام "خانه سگ" بالا رفتیم. او تقریباً با عذرخواهی به من گفت: «این یک دکل قدیمی‌تر است.» ما می توانستیم قله های تیز و برفی را در دوردست ببینیم. مجموعه ای از صفحه نمایش های رایانه ای عمق، سرعت، گشتاور و میزان نفوذ مته را نشان می داد. فهرست طولانی متغیرها، از پیچیدگی ایجاد چاه های افقی در وسعت های عمیق و داغ گرانیت سخن می گفت.
کامیون سیمان از بیکرزفیلد حدود ساعت 8:30 بعد از ظهر رسید. تا ساعت ده و نیم، مردان دوباره سیمان می ریختند و نی فلزی عظیم را در جای خود می چسباندند. بعد، تیم گمانه را با پرتوهای گاما اسکن کرد. آنچه حفاران نمی خواهند ببینند فضاهایی در اطراف ستون سیمانی است. اسکن هیچ فضایی را نشان نداد.
چاه 16B(78)-32 در جولای 2023، نه چندان دور از چاه دیگری که قبلاً حفر شده بود، تکمیل شد. بیش از دو مایل طول داشت. روز بعد از اتمام آن، مهندسان با موفقیت سیال را از طریق شکستگی های مصنوعی بین دو چاه به گردش درآوردند. مردان سرخوش بودند. مور گفت: «اتصال کل هدف است. ما به آن دست یافتیم.» اما او همچنین به تمام مراحلی که باید دنبال می شد فکر می کرد. هنوز هیچ گرمایی استخراج نشده بود، هیچ انرژی تولید نشده بود. مور اندکی بعد به من گفت: «ما باید چاه های بیشتری حفر کنیم. ما باید وارد محیط های گرمتر شویم.»
از آن زمان، بسیاری از این تکنیک ها ثابت شده اند. در تابستان 2023، Fervo، یک استارت آپ E.G.S.، رکورد نرخ جریان مداوم بین چندین چاه را ثبت کرد. آنها دوباره آن را در سال گذشته شکستند. مک کلور به من گفت: «این واقعاً چیز مهمی است.» این شرکت به زودی شروع به ساخت یک نیروگاه تجاری چهارصد مگاواتی در نزدیکی محل FORGE کرد و بسیاری از دانش فنی خود را از تیم مور به دست آورد. Fervo قصد دارد در سال 2026 شروع به ارائه برق شبانه روزی به تأسیسات در جنوب کالیفرنیا کند. شرکت های فناوری مانند گوگل، متا و مایکروسافت، انرژی زمین گرمایی را در مراکز داده هوش مصنوعی بدنام پرمصرف خود گنجانده اند. و Eavor Technologies، یک شرکت کانادایی که در جنوب آلمان فعالیت می کند، در حال توسعه یک پروژه تجاری E.G.S. است که گرما و برق را برای ده ها هزار خانه تامین می کند. مور بیش از هر زمان دیگری به زمین گرمایی خوشبین است. در ماه اکتبر، D.O.E. هشتاد میلیون دلار دیگر به FORGE اهدا کرد تا تحقیقات خود را تا سال 2028 ادامه دهد. او گفت: «من این را به هر طریق ممکن تشویق می کنم. ما باید ادامه دهیم.»
تعداد کمی از مهندسان امیدوارند که از زمین گرمایی پیشرفته به "زمین گرمایی عمیق" پیشرفت کنند، که به اعماق شش تا دوازده مایلی و دماهای بیش از هشتصد درجه سانتیگراد می رسد. (این تقریباً به اندازه نوک شعله شمع داغ است.) مومنان، زمین گرمایی عمیق را یک منجی آب و هوایی می دانند. شکاکان آن را یک خیال غیرممکن از نظر فنی می دانند. فیلیپ بال، مشاور زمین گرمایی، به من گفت: «من هنوز در سمت منفی هستم که "آیا این در واقعیت کار خواهد کرد؟"» مور این ایده را "مزخرف" خواند.
در یک صبح دلپذیر بهاری در سال 2023، از یک آزمایشگاه زمین گرمایی عمیق در هیوستون، شهری که نفت آن را ساخته است، بازدید کردم. من ماشین اجاره ای خود، یک شورولت بولت را در نزدیکی انباری که توسط Quaise اداره می شد، استارت آپی با پنجاه و پنج کارمند که در کمبریج، ماساچوست شروع به کار کرد، وصل کردم. از پارکینگ می توانستم دو اسب سفید همسایه را ببینم.
کارلوس آراک، مهندس ریشو و خوش‌برخورد اهل کلمبیا که Quaise را تأسیس کرد، به من گفت که در سال 2017 صنعت نفت را ترک کرد تا به دنبال یک منبع انرژی تجدیدپذیر "با پتانسیل واقعی برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی" بگردد. او پیش بینی کرد که تا سال 2050 مصرف انرژی بشر دو برابر خواهد شد. او گفت: «باد و خورشید به سطحی که تمدنی که ما بر اساس سوخت‌های فسیلی ساخته‌ایم نیاز دارد، مقیاس نمی‌یابند. این فیزیک است.» یک پوند نفت حاوی انرژی بسیار بیشتری نسبت به یک باتری قابل شارژ یک پوندی است. او همچنین ادعا کرد که پروژه های خورشیدی و بادی از زمین های مقرون به صرفه تمام شده اند - چیزی که جیکوبسون، استاد استنفورد، "نادرست" تلقی کرد. (جیکوبسون
عمیق ترین حفره ای که تا به حال حفر شده است، گمانه فوق عمیق کولا، در شمال غربی روسیه، هفت مایل زیر زمین امتداد دارد و صد میلیون دلار هزینه داشته است. دومین حفره عمیق، برنامه حفاری عمیق قاره ای آلمان، 5.6 مایل امتداد دارد. اولریش هارمز، دانشمند ارشد پروژه آلمان، به من گفت: «دما واقعاً چالش برانگیز است.» در اوایل دهه نود، تیم او با سنگی مواجه شد که بیش از دویست و شصت و پنج درجه سانتیگراد بود. حفره های عمیق نیز تمایل به فروپاشی دارند. او گفت: «پایداری گمانه در اعماق زیاد یک چالش بزرگ مطلق است.» Quaise، که صد میلیون دلار جمع آوری کرده است، عمدتاً از صندوق های متمرکز بر آب و هوا، در ابتدا می خواست تا عمق دوازده مایلی حفاری کند، اما اکنون قصد دارد در شش متوقف شود، جایی که با دمای سیصد تا پانصد و پنجاه درجه سانتیگراد مواجه خواهد شد - به اندازه کافی داغ برای تبدیل آب به "فوق بحرانی"، به طور چشمگیری چگالی انرژی آن را افزایش می دهد.
نکته اصلی سیستم Quaise ژیروترون است، یک دستگاه لوله ای که توسط دانشمندان شوروی در سال 1964 اختراع شد. این دستگاه مانند یک مایکروویو بسیار، بسیار قدرتمند عمل می کند و "امواج میلی متری" ساطع می کند که سبزیجات شما را بخار می کند. آنها می توانند دمای صد میلیون درجه سانتیگراد را تولید کنند. (ارتش ایالات متحده ژیروترون ها را به عنوان "سلاح های انرژی مستقیم" دنبال کرده است.) حدود یک دهه پیش، پل ووسکوف، مهندس تحقیقاتی M.I.T.، نشان داد که این فناوری می تواند برای "حفاری انرژی" بدون یک بیت فیزیکی استفاده شود. دانشمندان Quaise پیشنهاد می کنند که گرمای یک ژیروترون می تواند دیواره های تونل را با شیشه ای کردن آنها به شیشه تثبیت کند.
آن روز صبح، هنری فان، معاون مهندسی شرکت، مرا به داخل یک کانتینر حمل و نقل هدایت کرد و یک لوله مسی - یک "راهنما موج" - را نشان داد که به سمت یک آجر گرانیتی اشاره می کرد. ما از کانتینر خارج شدیم و به یک فید ویدیویی زنده از آجر خیره شدیم. سپس یک مدیر پروژه جوان به نام استفان جسکه یک دکمه را زد. یک مایکروویو نامرئی از لوله شلیک شد و مرکز آجر را شبیه به یک خورشید سفید درخشان کرد. یک ماده چسبناک جوشان در حال بیرون آمدن بود. فان با آرامش قهوه را از یک لیوان با برند شرکت می نوشید.
ما با ماسک دوباره وارد کانتینر حمل و نقل شدیم و بوی تندی را حس کردیم. جسکه دستکش پوشید تا آجر را بردارد، به نظر می رسید که با یک شمشیر نوری سوراخ شده است. رشته های تار عنکبوتی، معروف به "موی پله"، که معمولاً در اطراف آتشفشان ها یافت می شود، در اطراف سوراخ تشکیل شده بود.
جسکه آجر را روی میز، در میان چندین آجر از بین رفته دیگر، گذاشت. او گفت: "قطعاً به آن دست نزنید." او به پلاکاردی اشاره کرد: "هشدار: داغ!"
در طرف دیگر هیوستون، یک شرکت زمین گرمایی دیگر در حال ارائه پیشنهادات خود بود. تنها رقیب زمین گرمایی عمیق Quaise، یک استارت آپ اسلواکیایی به نام GA Drilling، میزبان رویدادی بود که تبلیغ کننده این شرکت آن را "تاریخ ساز" توصیف کرده بود. نمایندگانی از ExxonMobil، Repsol و اتحاد انرژی زمین گرمایی تگزاس آمده بودند تا Anchorbit را ببینند، ابزار حفاری سی فوتی که از اسلواکی حمل شده بود. این ابزار برای جلوگیری از ارتعاش پیچشی یا "لغزش چوب" طراحی شده بود، زمانی که یک مته فیزیکی شروع به تکان دادن و چرخیدن خارج از کنترل می کند. در نهایت، چنین تجهیزاتی می تواند به فعال کردن پروژه های پیشرفته زمین گرمایی کمک کند - اما ابتدا این شرکت می خواست این فناوری را به حفاران، از جمله شرکت های نفت و گاز، بفروشد. این کمتر از یک عکس ماه بود تا راهی برای پرداخت هزینه یک سکوی پرتاب.
GA، که مخفف "زمین گرمایی در هر نقطه" است، شرط می بندد که
ما کلاه ایمنی و روکش های فلزی دست و پا گیر پوشیدیم و در گرمای تگزاس به بیرون رژه رفتیم. Anchorbit مانند یک استالاکتیت نقره ای از یک دکل مرتفع آویزان بود. دستگیره های کوچکی - "عناصر گیرنده" - سطح آن را پوشانده بودند تا به دیواره های تونل بچسبند و روند حفاری را تثبیت کنند. لحظاتی بعد، صدای چرخشی را در زیر پای خود شنیدیم. گل و لای سوپ از سوراخ بالا آمد.
به نظر می رسید که مخاطبان، که احتمالاً حفاری زیادی دیده بودند، تحت تاثیر قرار نگرفته اند. مالکوم راس، مشاور زمین گرمایی و محقق سابق شل، بعداً به من گفت: «از نقطه نظر حفاری زمین گرمایی، من ناامید شدم. فکر کردم آنچه آنها نشان دادند بسیار افزای شی است.» راس استدلال می کند که یک مته معمولی می تواند ارزان تر به همین هدف برسد. و شرکت های E.G.S.، در حال حاضر، تمایل به حفر در سنگ نرم دارند.
اما کوسیس قاطع بود. او گفت: «این یک تغییر تدریجی است.» با این حال، او متوجه شد: «ما فقط با پلاسما این را حل نخواهیم کرد. ما به آن نیاز داریم، اما به فناوری پیشرفته ای نیاز داریم که در حال حاضر وجود ندارد، بنابراین نمی توانیم فقط روی آن تمرکز کنیم. ما باید از جعبه ابزار کامل استفاده کنیم.»
در ماه اکتبر، Quaise اعلام کرد که به دنبال یک منطقه آزمایشی برای حفاری عمیق زمین گرمایی می گردد. این شرکت قصد دارد یک نیروگاه برق 100 مگاواتی را با شرکتی ارائه دهنده خدمات داده در 2028 یا 2029 شروع به کار کند. این شرکت ادعا می کند که "در حال مذاکره پیشرفته" با چندین شریک است و می گوید که برنامه دارد این پروژه را در زمان اتمام، همانند عملیات سوخت فسیلی، به مقیاس گیگاواتی برساند.
آیا این شرکت موفق خواهد شد؟ جیکوبسون گفت که او مشکوک است که ژیروترون ها می توانند به اندازه کافی قوی باشند تا به عمق زمین برسند. او همچنین نگران این بود که سیالات به زمین نشت کنند، لوله ها فرسوده شوند و گازهای گلخانه ای از زیر زمین خارج شوند. اما مهمتر از همه، شک داشت که یک ژیروترون حفاری می تواند با مته های معمولی رقابت کند. مور خوشبین تر بود. او فکر می‌کند که ژیروترون‌ها می‌توانند یک مزیت متمایز را در جاهایی که سنگ بسیار داغ و سخت است، مانند منطقه کوه‌های سفید کالیفرنیا، ارائه دهند.
همانطور که یک قرن و نیم پیش، اولین حفاران زمین گرمایی آیداهو و توسکانی، در حال حاضر، هیچ توافقی در مورد فناوری برتر وجود ندارد، در میان افرادی که قصد دارند به "زمین گرمایی عمیق" دست یابند. GA Drilling، که با شرکت های نفت و گاز که هدف اصلی آن ها هستند، رقابت می کند، ترجیح می دهد پیشرفت تدریجی را با تجهیزات آزمایش شده در میدان در آغوش بگیرد. Quaise شرط می بندد که یک فناوری در حال تغییر بازی می تواند صنعت را قبل از اینکه برای همیشه بمیرد، زنده کند.
آیا تلاش بزرگ برای زمین گرمایی به پیروزی می رسد؟ هیچکس نمی داند. با این حال، اگر موفق شود، انرژی تقریباً در همه جا - در زیر پای ما - بدون گازهای گلخانه ای بسیار در دسترس خواهد بود. این چشم انداز ارزش حفاری را دارد.