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科技前沿:怎样开采地热能?

最近,国内一家叫做“星环聚能”的科技企业,刚刚完成数亿元天使轮融资。投资方包括顺为、红杉等多家知名机构。在天使轮就能获得这些大牌机构的数亿元投资,这家公司是什么来头?从“星环聚能”这个名字可以猜到,这家公司是搞核聚变发电的。

核聚变发电,堪称人类的终极能源。在《得到头条》第140期,我们聊过核聚变发电的创业浪潮。在过去一年中,这个创业赛道的海外市场一片火热,美国、英国、加拿大等国的多家核聚变发电初创企业,已经完成了累计几十亿美元的融资。它们正在展开一场竞赛:看谁能成为世界上第一家实现商用可控核聚变的企业。

现在,这条赛道上多了一位中国选手,就是这家去年才刚刚成立的“星环聚能”。它的核心团队来自清华大学工程物理系核能所聚变团队,在核聚变领域拥有超过20年的研究经验。他们的目标,是推出中国首个小型化、可快速迭代的商用可控核聚变反应堆。

消息就是这样,来看看能学到什么知识。

我注意到,这场核聚变赛道的全球科技竞赛,不但让核聚变发电本身的进展大大加速,还出现了一个意想不到的技术溢出。科学家发现,核聚变研究中经常用到的一项技术——高强度电磁波,可以用在另一个能源领域,也就是地热能的开发上。这给人类的能源利用又打开了一扇新世界的大门。

所谓地热能,简单来说,就是利用地底深处和地面的温度差来发电的技术。一个典型的地热能电站,就是往地底下钻一个很深的洞,然后通过管道把冷水送到地底加热,等水热了之后再返回地面,带动发电机发电,这样往复循环。

地热能电站不像火力发电一样需要持续消耗燃料,也不像风电、光伏电站一样发电量波动很大。它可以24小时稳定地、零排放地输出电力,说起来真是一种品质非常好的发电方式。不过到目前为止,地热能发电只占到了全球电力供给的不到1%。这是为什么呢?

其中的主要障碍之一,就是人类目前的“挖洞技术”还很不到家。实际上,比起“上天”的技术,人类在“入地”的技术上可谓相当笨拙。目前的挖洞方法,说白了就是用非常昂贵钻头,不断把岩石磨碎来向下挖。这样挖洞有两个很大的缺陷:

第一,成本高。钻头本身非常昂贵,而且需要经常更换,再加上,把钻探碎屑排出来也需要不小的成本。以目前的技术挖一个直径20厘米,深度10公里的洞,大概需要3000万美元。建设一个地热能发电站,大约一半成本都用在了挖洞上。

第二,传统的挖洞方式也很难挖深。洞挖得越深,地热温度就越高,发电效率也就越高。但是,挖得越深,环境也越恶劣,几公里的地下是一个温度和压力都非常高的极端环境。钻头再往下就基本挖不动了。目前为止人类挖的最深的洞,是苏联在上个世纪挖的,他们花22年的时间挖了一个直径22厘米,深度12公里的洞。

没法再往下深挖,不但影响发电效率,还极大限制了地热能开采的选址范围。大部分温度在500摄氏度左右的优质地热能,是分布在地下10公里左右的位置的。由于目前挖不了这么深的洞,人们只能在一些地壳板块的裂缝处开采地热。这就导致了地热能电站的可选位置非常受限。

这个问题怎么解决呢?就在6月28日,美国麻省理工学院的官网报道,他们学校有个搞核聚变的科学家,叫沃斯科夫,他忽然开了一个脑洞:核聚变研究中不是经常用到高强度电磁波吗,能不能用电磁波对准石头,把石头加热到蒸发?用电磁波发射器代替传统钻头来挖洞,不就刚好能解决前面说的两个问题吗?

第一,电磁波挖洞很便宜。不需要频繁更换昂贵的钻头,主要成本就是电费。同样挖一个直径20厘米,深10公里的洞,需要消耗的电费只要50万美元,是传统挖洞成本的1/60。

第二,可以挖得更深。电磁波发射器不跟石头直接接触,它的工作环境比需要直接磨碎石头的钻头要温和得多。这就让整个挖掘设备可以在更深的地下环境工作,开采到品质更好、温度更高的地热能。

沃斯科夫是从2009年提出这个想法的,并且从那时候起就一直投身于这项技术。后来又成立了创业公司,在过去几年里一共拿到了7000万美元的投资。也许很快,这项电磁波挖洞技术就能投入应用了。

说到这儿,我想起著名哲学家赵汀阳老师说的一句话:一个学科领域提出的问题,答案可能不在这个学科之内,而是落在别的学科那里。经济问题的答案可能是在技术那儿,技术问题的答案可能是在商业或者文化那儿。学科领域可以被分割成彼此不相关的条块,真实问题却像一个魔方,所有要素是联动的。

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