Геотермальная энергия, наряду с ядерной, имеет потенциал решить глобальный энергетический дефицит, обеспечивая человечество чистой энергией на миллионы лет и сокращая антропогенное воздействие на климат. Она основана на использовании тепла недр Земли, где вода нагревается до высоких температур, приобретая свойства, позволяющие производить много энергии. Чтобы эффективно использовать геотермальную энергию, нужно обеспечить тесный контакт горячих пород и воды.
Один из самых перспективных методов — это дробление горных пород, как при гидроразрыве пласта (фрекинге) в нефтегазодобыче. Компания Fervo Energy уже показала, насколько эффективным может быть такой подход. Но есть одна проблема: ученые пока мало знают о том, что происходит глубоко под землей. На глубине 10 км и более породы ведут себя совсем иначе, чем ближе к поверхности. Поэтому неясно, можно ли их раздробить и создать трещины для циркуляции воды.
Если окажется, что можно, то это откроет путь к добыче максимально дешевой геотермальной энергии в больших объемах — чем ниже опускается вода, тем быстрее она нагревается и тем эффективнее выработка из нее энергии.
Вместо того чтобы быть твердой и ломкой, порода на глубине становится мягкой, пластичной и липкой, как карамель. Это значит, что создать в ней трещины и пропустить через них воду при очень высоких температурах сложно. Однако результаты последних исследований, проведенных в Федеральной политехнической школе Лозанны (EFPL) с использованием газового триаксиального аппарата, синхротронных 3D-изображений высокого разрешения и моделирования методом конечных элементов, позволяют взглянуть на эту проблему под новым углом.
Ученые воспроизвели в лабораторных условиях давление и температуру, характерные для земной коры, чтобы наблюдать за фазовым переходом горных пород из хрупкого в пластичное состояние. Подобные исследования в естественных условиях практически неосуществимы. Образец породы подвергался воздействию заданных параметров, а полученные данные синхротронной томографии были использованы для последующего трехмерного моделирования на компьютере.
Оказалось, что порода ведет себя скорее не как пластилин, а как Silly Putty (Жвачка для рук) — популярная игрушка, которая одновременно обладает свойствами жидкости и твердого тела. Если взять Silly Putty в руки, то можно легко придать ей любую форму, а если положить ее, она будет медленно растекаться, как жидкость. Однако самое интересное заключается в том, что этот мягкий, текучий материал при ударе молотком разбивается, как стекло.
Порода на глубине действует аналогично. Хотя она пластична, ее можно разломать, чтобы вода могла проходить через нее. А значит, с помощью некоторых сложных технологий глубокого фрекинга можно построить мощные геотермальные электростанции.
Это важное открытие, поскольку геологи долго думали, что вода в земной коре может циркулировать только до определенной глубины, где камни становятся мягкими. Ученые EFPL доказали, что вода может проникать и глубже, в эти пластичные слои.
Исследование актуально для таких компаний, как Quaise Energy. Стартап разрабатывают технологию бурения сверхглубоких геотермальных скважин с использованием ускорителей частиц. Эта технология призвана заменить традиционные буровые установки, которые не выдерживают высокие температуры на больших глубинах. Компании Fervo и Sage Geosystems уже доказали эффективность метода гидроразрыва пласта для повышения производительности геотермальных скважин. Теперь подтверждено, что аналогичный подход можно применять и для разработки сверхглубоких геотермальных ресурсов. Однако бурение на такую глубину, местами превышающую рекорд Кольской скважины в 12 км, пока технически неосуществимо.
