Струя энергии ударила в каменную плиту, которая мгновенно начала светиться. Осколки откололись, искры посыпались, а под потоком воздуха закружилась пыль.
Изнутри модифицированного трейлера я выглядывал в окно, наблюдая, как буровая установка миллиметровых волн, прикрепленная к невзрачному грузовику, расплавляет отверстие в куске базальта менее чем за две минуты. После завершения испытаний я вышел из трейлера в хьюстонскую жару. На обломках плиты виднелось кольцо черного, стекловидного материала — свидетельство того, как порода расплавилась.
Эта технология плавления горных пород от геотермального стартапа Quaise, безусловно, нетрадиционна. Компания надеется, что именно она станет ключом к высвобождению геотермальной энергии и сделает ее осуществимой в любой точке мира.
Геотермальная энергетика, как правило, наиболее эффективна в тех частях света, где геология и близость тепла к поверхности благоприятны. Исландия и запад США, например, являются горячими точками для этого постоянно доступного источника возобновляемой энергии, поскольку там есть все необходимые составляющие. Однако, теоретически, если бурить достаточно глубоко, компании могли бы получать тепло Земли из любой точки планеты.
Это сложная задача. В некоторых местах для эффективной выработки электроэнергии потребуется бурение на многие километры под поверхностью. Зачастую это означает прохождение через очень твердые породы, такие как гранит.
Предлагаемое Quaise решение — это новый способ бурения, который отказывается от традиционной техники соскребания породы твердым долотом. Вместо этого компания планирует использовать гиротрон — устройство, излучающее высокочастотное электромагнитное излучение. Сегодня в индустрии термоядерной энергетики гиротроны используются для нагрева плазмы до 100 миллионов °C, но Quaise намерена применять их для разрушения, плавления и испарения породы. Теоретически это может сделать бурение быстрее и экономичнее, открывая доступ к геотермальной энергии повсеместно.
С момента основания Quaise в 2018 году компания продемонстрировала работоспособность своих систем в контролируемых лабораторных условиях и начала испытания в полуконтролируемой среде, включая задний двор своей штаб-квартиры в Хьюстоне. Теперь эти усилия выходят за пределы лаборатории, и команда вывезла технологию бурения с помощью гиротронов на карьер для тестирования в условиях реального мира.
Некоторые эксперты предупреждают, что переосмысление бурения не будет таким простым или быстрым, как надеется руководство Quaise. Стартап также пытается привлечь крупный раунд финансирования в этом году, в период, когда экономическая неопределенность замедляет инвестиции, а отрасль климатических технологий США находится в сложном политическом положении из-за таких мер, как тарифы и сокращение государственной поддержки. Грандиозная идея Quaise направлена на ускорение развития старого возобновляемого источника энергии. Этот решающий момент может определить, насколько далеко зайдет эта идея.
Пробиваясь насквозь
Приблизительные расчеты в геотермальной отрасли показывают, что энергии, запасенной внутри Земли, хватит для удовлетворения наших потребностей на десятки или даже сотни тысяч лет, рассказывает Мэтью Худе, соучредитель и руководитель аппарата Quaise. После этого должны быть доступны другие источники, такие как термоядерный синтез, «при условии, что мы продержимся так долго», — шутит он.
«Мы хотим получить возможность масштабировать этот вид геотермальной энергии за пределы тех мест, где мы можем легко получить эти температуры сегодня с помощью традиционного бурения», — говорит Худе. Ключ, по его словам, заключается в том, чтобы просто достичь достаточной глубины: «Если мы сможем масштабировать эти глубины до 10–20 километров, мы сможем обеспечить доступ к сверхгорячей геотермальной энергии по всему миру».
Хотя технически это возможно, существует мало примеров, когда люди бурили на такую глубину. Один исследовательский проект, начатый в 1970 году в бывшем Советском Союзе, достиг чуть более 12 километров, но на это ушло почти 20 лет, и проект оказался невероятно дорогим.
Quaise надеется ускорить бурение и снизить его стоимость, — отмечает Худе. Цель компании — проходить породу со скоростью от трех до пяти метров в час при непрерывной работе.
Одним из ключевых факторов, замедляющих многие операции по бурению твердых пород, таких как гранит, является непродуктивное время. Например, оборудование часто приходится полностью поднимать на поверхность для ремонта или замены долот.
Секрет Quaise, позволяющий потенциально изменить ситуацию, заключается в ее гиротроне. Устройство излучает миллиметровые волны — пучки энергии, длина волны которых находится между микроволнами и инфракрасным излучением. Это похоже на лазер, но луч невидим для человеческого глаза.
Цель Quaise — нагреть целевую породу, фактически пробуривая ее. Гиротрон направляет волны на целевую породу через волновод — полый металлический канал, который направляет энергию в нужное место. (Одной из основных технологических проблем компании является предотвращение случайного образования плазмы — ионизированного, перегретого состояния материи, поскольку это может привести к потере энергии и повреждению ключевого оборудования, такого как волновод).
Как это работает на практике: когда установка Quaise бурит скважину, кончик волновода располагается на расстоянии около фута от породы, на которую направлен луч. Гиротрон выпускает импульс миллиметровых волн примерно на минуту. Они проходят по волноводу и ударяют по породе, которая нагревается, а затем трескается, плавится или даже испаряется.
Затем луч прекращает работу, и долото на конце волновода опускается к поверхности породы, вращаясь и соскребая сломанные осколки и расплавленные части породы по мере спуска. Постоянный поток воздуха уносит обломки на поверхность, и процесс повторяется. Энергия миллиметровых волн выполняет основную работу, а соскабливание и сжатый воздух помогают удалить расколотый или расплавленный материал.
Эту систему я и наблюдал в действии в штаб-квартире компании в Хьюстоне. Буровая установка во дворе — это небольшая установка, нечто вроде той, что строительная компания могла бы использовать для бурения микросвай для фундамента, или что исследователи использовали бы для взятия геологических проб. Общая мощность гиротрона составляет 100 киловатт. Система охлаждения помогает сверхпроводящему магниту в гиротроне достичь необходимой температуры (около -200 °C), а система фильтрации улавливает отслоившиеся частицы проб.
Вскоре после моего визита эта установка была упакована и отправлена в центральный Техас для дальнейших полевых испытаний в скальном карьере. Компания объявила в июле, что с помощью этой установки пробурила скважину глубиной 100 метров на этом опытном участке.
Quaise — не первая компания, разрабатывающая немеханическое бурение, — отмечает Роланд Хорн, руководитель геотермальной программы Стэнфордского университета. «Прожигать дыры в породах впечатляет. Однако бурение — это нечто большее», — говорит он. По его словам, в процессе работы установка должна будет выдерживать высокие температуры и давления на дне скважин.
К настоящему времени компания добилась успеха в бурении скважин в колоннах породы внутри металлических обсадных труб, а также в песчанике во время полевых испытаний. Но между бурением в предсказуемом материале в относительно предсказуемой среде и созданием геотермальной скважины глубиной в мили лежит долгий путь.
Каменистые дороги
В апреле Quaise полностью интегрировала свой второй 100-киловаттный гиротрон на буровую установку для нефтегазовой отрасли, принадлежащую инвестору и технологическому партнеру компании Nabors. Эта установка обычно используется для обучения или инженерных разработок и расположена в ряду других установок в штаб-квартире Nabors, через дорогу от лаборатории Quaise. Ее 182-футовая вершина видна из парковки над офисным зданием.
Когда я посетил компанию в апреле, она все еще завершала первоначальные испытания, используя специальную термобумагу и короткие импульсы для проверки настроек. В мае компания испытала эту интегрированную установку, пробурив скважину диаметром четыре дюйма и глубиной 30 футов. Еще одно испытание в июне достигло глубины 40 футов. Эти скважины бурились в колоннах базальта, опущенных в землю в качестве испытательного материала.
В то время как компания испытывает свои 100-киловаттные системы на установке и карьере, следующим шагом станет еще более крупная система, оснащенная гиротроном, который в десять раз мощнее. Эта мегаваттная система будет бурить более широкие скважины, диаметром более восьми дюймов, и представляет собой коммерческий вариант технологии компании. Испытания бурения с этой более крупной установкой запланированы на 2026 год.
Мегаваттная система фактически требует немного больше трех мегаватт общей мощности, включая энергию, необходимую для работы вспомогательного оборудования, такого как системы охлаждения и компрессор, который нагнетает воздух в скважину, вынося пыль на поверхность. Этот спрос на мощность аналогичен тому, который сегодня требуется от нефтегазовых установок.
Quaise создает пилотную установку в Орегоне, фактически на склоне вулкана, — рассказал Трентон Кладухос, вице-президент компании по развитию геотермальных ресурсов. Этот проект будет использовать традиционное бурение, и его основная цель — доказать, что Quaise может построить и запустить геотермальную электростанцию, — уточнил Кладухос.
Компания строит разведочную скважину в этом году и планирует начать бурение эксплуатационных скважин (которые в конечном итоге могут быть использованы для выработки электроэнергии) в 2026 году. Этот пилотный проект достигнет около 20 мегаватт мощности с первыми несколькими скважинами, работающими на породе с температурой около 350 °C. Компания планирует запустить ее уже к 2028 году.
Стратегия Quaise по проекту в Орегоне состоит в том, чтобы продемонстрировать, что она может эффективно использовать сверхгорячие породы для производства геотермальной энергии, — говорит генеральный директор Карлос Араке. После запуска станции и начала производства электроэнергии компания сможет вернуться и углубить скважины с помощью бурения миллиметровыми волнами в будущем, — добавил он.
Араке сообщил, что у компании уже есть несколько заказчиков на будущую энергию, хотя он отказался их называть, уточнив лишь, что один из них — крупная технологическая компания, и задействована также коммунальная служба.
Однако стартапу понадобится больше капитала для завершения этого проекта и проведения испытаний с более мощным, мегаваттным гиротроном. И неопределенность витает над климатическими технологиями, учитывая тарифы администрации Трампа и свертывание финансовой поддержки (хотя геотермальная отрасль пока оставалась относительно незатронутой).
Quaise еще предстоит преодолеть ряд технических барьеров, прежде чем она начнет строительство коммерческих электростанций.
Одно из потенциальных препятствий: бурение в разных направлениях. В настоящее время бурение миллиметровыми волнами возможно только по прямой линии, строго вниз. Создание геотермальной станции, подобной той, что планируется в Орегоне, вероятно, потребует так называемого направленного бурения — способности бурить не только вертикально.
И компания, вероятно, столкнется с проблемами при переходе от лабораторных испытаний к полевым. Одной из ключевых проблем для компаний, разрабатывающих геотермальные технологии на такой глубине, будет обеспечение долговечности скважин для поддержания работы электростанции, — считает Джефферсон Тестер, профессор Корнеллского университета и эксперт по геотермальной энергетике.
Технология Quaise весьма амбициозна, — говорит Тестер, — и новым идеям в геотермальной энергетике бывает трудно конкурировать с экономической точки зрения. «В конечном счете все сводится к стоимости», — утверждает он. И компании со смелыми идеями рискуют тем, что у их инвесторов кончится терпение, прежде чем они смогут развить свою технологию до уровня внедрения в общую сеть.
«Нам еще многое предстоит узнать — мы, по сути, заново изобретаем бурение», — говорит Стив Джеске, менеджер проекта в Quaise. «Кажется, что это не должно работать, но это работает».
