（英媒12月2日报道）
我们脚下的能源几乎取之不尽，但世界上只有少数幸运的地方能让地热近在地表，其他地方则需要挖掘得更深。而真正的挑战在于如何达到足够的深度。
世界上有些地方，能源简直就是从地表喷涌而出。在冰岛，这个拥有200多座火山和几十个天然温泉的国家，利用这些能源并不困难。全国各地散布着热气腾腾的水池，这些水池被地壳之下燃烧的地热之火加热。间歇泉会向空中喷射沸腾的水柱和蒸汽。
冰岛目前用地热能为85%的房屋供暖，而全国25%的电力也来自利用地下热能发电的电站。这是一个诱人的前景，几乎无限的能源等待着被开发。而且，地热能在全球范围内都是一种几乎取之不尽的绿色能源。与风能或太阳能不同，地热是“全天候”的，因为热量持续从地球熔融的核心以及地壳中自然存在的放射性元素衰变中释放出来。事实上，地球在冷却过程中释放出的能量如此之大，以至于每年散失到太空中的热量足以满足世界多次总能源需求。
真正的挑战在于如何利用这些能源。
目前，全球只有32个国家建有地热发电厂。全球地热发电厂总数不足700家，2023年这些发电厂的总发电量约为97太瓦时（TWh）。这不到美国仅太阳能发电量的一半，也远低于地热能在全球能源结构中所能发挥的潜在作用的估计值。据估计，到本世纪中叶，地热能每年可贡献约800-1400太瓦时的电力，以及每年3300-3800太瓦时的热能。
美国国家可再生能源实验室（NREL）地热项目负责人阿曼达·科尔克在2023年发布的一份关于地热能潜力的报告中指出：“地球本身具有解决向清洁能源未来过渡过程中各种障碍的潜力。”
但并不是每个国家都像冰岛那么幸运，冰岛地表附近就有温度约为120-240摄氏度的热水资源。在该国的其他地区，钻探深度达到2.5公里的井才能获得温度高达350摄氏度的热水。例如，冰岛在雷克雅内斯的主要地热开发点钻探了实验井，深度达4.6公里，以获取温度高达600摄氏度的超热流体。目前，已在使用较浅的井进行日常热能提取，这些井利用温度约为320摄氏度的热水，每年可发电720吉瓦时（GWh）。
地热能源未能得到更广泛应用的原因之一是，开采这种能源需要高额的前期投资。但到目前为止，我们还未能在物理上触及这些能源。
为了让世界其他地区也能享受到这种丰富的地热清洁能源，我们需要钻探到更深的深度，以达到发电或为大范围社区供暖所需的温度。在冰岛等靠近地表的地方，利用地球散发的热量相对容易。
在地球的大部分地区，地壳内部温度平均每下降一公里就会升高25-30摄氏度。例如，根据英国地质调查局的数据，英国地下约5公里处的温度约为140摄氏度。
不过，只要钻探得足够深，就有可能达到水温超过374摄氏度、压力超过220百帕的点。在这个条件下，水会进入一种被称为超临界的高能状态，以既不是液体也不是气体的形态存在。水越热、压力越大，所含能量就越大。
事实上，根据NREL的说法，一口超热地热井产生的能量可能是目前商业地热井的5到10倍。
然而，一个主要的障碍是，传统的旋转式钻机，即使钻头镶有金刚石也无法钻探到达到这些温度所需的深度。在地质状况复杂、温度极高、压力巨大的地下深处，钻井部件经常发生故障，而防止钻孔堵塞也是一项持续不断的工作。
例如，2009年，参与冰岛深层钻探项目的一个团队在克拉夫拉火山下约2公里处意外触及了超临界条件。这口井喷出的过热蒸汽酸性极高，难以利用。所涉及的高温和高压也使得它难以控制，不得不间歇性排放了大约两年时间，直到阀门故障迫使井口被封堵。
深层钻探也可能是一项昂贵且耗时的工作。位于冰岛雷克雅内斯的冰岛深钻项目已钻探深达4.6公里的井。
然而，人类钻出的最深洞穴要追溯到冷战时期，当时超级大国之间展开了一场向地壳深处钻探的竞赛。苏联在北极圈高处的科拉半岛上钻探出了科拉超深钻井，穿透了12.2公里的岩石。他们用了近20年的时间才达到这一深度，这也是人类迄今为止钻探到地球的最深处。
NREL估计，钻探一口1公里深的井大约需要200万美元，而使用当前技术钻探4倍于此深度的井则可能需要600万至1000万美元。
然而，与传统地热能源相比，深层地热能源能够提供相当可观的成本节约，因为能够深入地球地壳获取更高的温度和压力。一些研究表明，深层地热能源能以与其他供暖形式（如使用天然气）相似的成本为社区供暖，但温室气体排放量更少。
鉴于此，一些先驱研究者和公司正在转向新型钻机和钻探技术，以钻出有史以来最深的钻孔之一，希望将地热能源带到那些从未认为这可能的地方。
例如，麻省理工学院（MIT）的衍生公司Quaise Energy，旨在钻探深达20公里的钻孔，以获取500摄氏度或更高的温度。为此，他们正在使用一种基于核聚变能源领域多年研究的工具。该公司的联合创始人马特·胡德表示，当其他人还在用铲子挖土时，他们首次将微波送入地下。
他和他的同事们正在试验毫米波定向能量束，这种能量束甚至能将最坚硬的岩石汽化。它将类似于微波但频率更高的高能辐射束聚焦在岩石的一部分上，将其加热到3000摄氏度，使其熔化并汽化。通过引导能量束穿过岩石，可以在不产生传统钻探技术所产生的碎屑和摩擦的情况下创建钻孔。
“毫米波钻探是一个在很大程度上与深度无关的过程”，胡德说。“毫米波能量也能在肮脏、多尘的环境中传输。”
这项技术源自麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的工程师保罗·沃斯科夫进行的核聚变等离子体实验。自20世纪70年代以来，毫米波定向能量就被研究作为加热核聚变反应堆中等离子体的一种方法，但几年前，沃斯科夫发现了该技术的另一种用途。他开始使用一种名为回旋管的装置产生的毫米波束来熔化岩石。
但迄今为止，该技术仅在实验室中进行了测试，在相对较小的岩石样本上钻了浅孔，但该公司声称其能以每小时约3.5米的速度钻穿岩石。虽然这与传统的钻探技术相比速度较慢，但有其他好处，因为“钻头”不是物理上研磨岩石，所以不会磨损或需要更换。Quaise Energy目前正处于毫米波技术的实验室测试的最后阶段，预计将于2025年初开始进行实地试验。但是，将毫米波钻探技术从实验室转移到大规模钻探作业中仍然是一个挑战。毫米波定向能可以处理不同类型的岩石，但尚未在现场得到验证。
沃斯科夫说：“它们在深层高压地下环境中从未被使用过。由于将强烈的能量-物质相互作用应用于钻探，因此需要一个新的学习曲线。”
与此同时，总部位于斯洛伐克的GA Drilling公司正在探索另一种高能钻探技术，以钻入地壳。它使用的是脉冲等离子钻，这种钻探技术基于非常短的高能电放电，能够分解岩石而不会使其熔化。这避免了产生任何粘稠的熔岩，熔岩难以清除且会阻止钻头进一步穿透。“由于该过程非常迅速，短暂的冲击会使岩石破碎，因此没有时间形成熔体，因此大大减少了提起和更换钻头的需求，”GA Drilling公司的首席执行官兼董事长伊戈尔·科西斯说。他补充道：“5至8公里是我们当前开发项目的目标，之后的目标是10公里以上。这些深度将使我们几乎可以普遍获得地热能源。”
由地热能与地下流体（GEG）小组牵头的一个欧洲财团正在探索另一种途径，即研究脉冲等离子钻，使用非常短的能量脉冲，利用高达6000摄氏度的离子化气体分解岩石。该财团的合作伙伴包括德国和瑞士的机构。
GA Drilling公司还与牛津大学工程科学副教授康斯坦丁娜·沃吉亚察基合作，利用先进的数学理论来研究如何通过等离子钻探技术控制深层地球能源开采过程中超临界流体的状态。沃吉亚察基说：“我们致力于确定大规模钻探工具的最佳燃烧系统，为通过等离子钻探技术控制超高压燃烧开辟了新视野。”
其他人正在寻找超越我们星球本身的钻探方法。地热钻探公司正在采用为金星炽热表面上的行星探测任务开发的技术，那里的温度可高达475摄氏度。位于阿肯色州费耶特维尔的电子产品制造商Ozark Integrated Circuits公司一直在改造能够承受极端温度的电路，这些电路可用于深层地球地热钻探设备。
就其本身而言，美国国家可再生能源实验室（NREL）已经转向人工智能来分析复杂的地下环境，试图找到钻探超临界水的最佳地点，同时帮助预测和检测钻机在引发重大问题之前的故障。
一些公司已经在地球深处取得了进展。地热公司Eavor告诉英国广播公司，2024年，该公司在德国巴伐利亚州格赖茨赖德的一个场地上，用两口垂直井钻探到了5公里的深度。Eavor一直在使用欧洲最大的两台陆地钻探设备，努力在格赖茨赖德建造一座商业规模的工厂，该工厂旨在通过其称为Eavor Loop的闭环设计，在地下循环水，从而将地热带上地面。该系统就像一个巨大的散热器，环路中的冷水在地下被加热，然后回到地面，用于发电，并通过区域供暖系统输送到附近的房屋。Eavor的首席执行官兼总裁约翰·雷德芬说，该公司预计将在2025年上半年开始在该地点发电。实验室已证明毫米波定向能能够钻穿坚硬的岩石。
地质学家兼Eavor联合创始人珍妮·瓦尼说：“我们的技术未来有望钻探到11公里的深度。我相信，在未来三到五年内，我们在开发超高温岩石方面将取得有意义的进展。”
他们的闭环方法也有助于避免从深层地热井中提取过热水时可能发生的一些污染问题——这是冰岛深层钻探项目在2009年发现的。它还可以帮助减少开放式地热系统可能排放的有害气体，如硫化氢。
瓦尼还指出，深层地热能源不需要占用大量地表空间，这意味着它未来可以安置在城市地区。
但还有其他问题需要解决。目前尚不清楚维护深层地热井并防止其堵塞会有多容易。
随着各国寻求关闭传统的碳排放能源，开发深层地热能源可能会为老化的化石燃料发电站带来新的生机。将旧的燃煤发电站改造为地热发电站，可以为蒸汽发电机提供第二次生命，同时利用现有的电力传输线路，帮助加快地热发电站的建设速度。Quaise Energy公司已经瞄准了纽约州北部的一座废弃燃煤发电站，他们希望在本十年结束前重新启用该发电站，利用地下深处的热量发电。
这种转变具有一定的诗意，一座曾经依靠从地下挖出的肮脏燃料运行的发电站，在清洁能源革命中找到了新的生命，其能源来自地下更深处。
问题是，它们能够钻探到足够的深度吗？