Công cuộc khoan hố sâu nhất hành tinh

 

Hiện nay, chỉ có 32 nước trên thế giới có nhà máy điện địa nhiệt đang hoạt động. Nhưng không phải mọi nước đều may mắn như Iceland, nơi nguồn dự trữ nước nóng ở nhiệt độ khoảng 120 - 240 độ C có thể tiếp cận dễ dàng gần mặt đất. Một lý do điện địa nhiệt không phổ biến là chi phí đầu tư ban đầu cao để khai thác năng lượng đó. Để nhiều khu vực khác trên thế giới có thể sử dụng điện địa nhiệt, cần khoan sâu hơn để tiếp cận nhiệt độ cần thiết nhằm sản xuất điện hoặc cung cấp nhiệt lượng quy mô lớn cho khu vực lân cận, theo National Geographic.

Ở phần lớn các nơi trên Trái Đất, nhiệt độ tăng 25 - 30 độ C khi xuống sâu hơn trung bình mỗi km. Ví dụ, tại Anh, nhiệt độ gần mặt đất ở độ sâu khoảng 5 km vào khoảng 140 độ C, theo Cục khảo sát Địa chất Anh. Nếu khoan đủ sâu, có thể đạt nhiệt độ nước trên 374 độ C ở áp suất hơn 217 atm. Đây là nơi nước tiến vào trạng thái siêu tới hạn, không phải dạng lỏng cũng không phải dạng khí. Nhiệt độ và áp suất càng lớn, nó càng chứa nhiều năng lượng.

Trên thực tế, một giếng địa nhiệt siêu nóng có thể sản sinh năng lượng gấp 5 - 10 lần giếng địa nhiệt thương mại ngày nay, theo Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ (NREL). Tuy nhiên, một trở ngại chính là máy khoan xoay thông thường, ngay cả loại gắn mũi khoan kim cương, đều không đủ mạnh để đào tới độ sâu cần thiết nhằm tiếp cận nhiệt độ trên. Trong điều kiện địa chất khó dự đoán chắc chắn, nhiệt độ cực hạn và áp suất khổng lồ, các bộ phận khoan có thể hỏng hóc thường xuyên, đồng thời ngăn hố khoan khỏi bị bịt kín là một trận chiến thường trực.

Ví dụ, năm 2009, một đội làm việc trong Dự án khoan sâu Iceland gặp điều kiện siêu tới hạn khi khoan vào buồng magma ở núi lửa Krafla cách mặt đất khoảng 2 km. Hơi nước siêu nóng phát ra từ giếng khoan này có nồng độ axit cao nên rất khó sử dụng. Nhiệt độ và áp suất lớn cũng khiến nó khó kiểm soát. Cuối cùng, một hỏng hóc ở van buộc nhà chức trách phải bịt kín hố.

Khoan sâu cũng là hoạt động tiêu tốn tiền bạc và thời gian. Hố sâu nhất mà con người từng đào ra đời vào thời Chiến tranh Lạnh. Liên Xô khoan xuyên qua 12,2 km đá, tạo ra hố khoan siêu sâu Kola trên bán đảo Kola ở Vòng cực Bắc. Họ mất gần 20 năm để đạt tới độ sâu đó và kỷ lục vẫn duy trì tới ngày nay. NREL ước tính chi phí khoan giếng sâu một kilomet vào khoảng 2 triệu USD trong khi độ sâu gấp 4 lần có thể tiêu tốn 6 - 10 triệu USD với công nghệ hiện nay.

Dù vậy, năng lượng địa nhiệt dưới lòng đất sâu có thể tiết kiệm đáng kể chi phí so với địa nhiệt thông thường, do có thể tiếp cận nhiệt độ và áp suất cao hơn. Vì vậy, một số nhà nghiên cứu và công ty tiên phong ứng dụng những loại máy khoan và công nghệ khoan mới để đào những hố sâu nhất từng có.

Quaise Energy, công ty khởi nghiệp của Viện Công nghệ Massachusetts, hướng tới khoan hố sâu 12 km để tiếp cận nhiệt độ 500 độ C hoặc hơn. Để làm điều đó, họ sử dụng một công cụ dựa trên nhiều năm nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch. Matt Houde, nhà đồng sáng lập công ty và cộng sự, thử nghiệm với chùm năng lượng sóng milimet làm bốc hơi ngay cả loại đá cứng nhất. Thiết bị tập trung chùm bức xạ năng lượng cao tương tự vi sóng nhưng ở tần số cao hơn vào một mẩu đá, nung nóng nó tới 3.000 độ C để nó tan chảy và bay hơi. Bằng cách chĩa trực tiếp chùm năng lượng để khoan xuyên đá, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra hố sâu mà không tạo ra mảnh vụn và ma sát như kỹ thuật khoan truyền thống. "Khoan sóng milimet là một quá trình có thể vận hành không phụ thuộc vào độ sâu. Năng lượng sóng milimet có thể truyền qua môi trường đầy bụi bẩn", Houde cho biết.

Công nghệ này phát triển từ thí nghiệm plasma nhiệt hạch tiến hành bởi Paul Woskov, kỹ sư ở Trung tâm nhiệt hạch và khoa học plasma của MIT. Năng lượng sóng milimet được khai thác như một cách làm nóng plasma trong lò phản ứng nhiệt hạch từ thập niên 1970, nhưng cách đây vài năm, Woskov phát triển cách sử dụng khác. Ông bắt đầu dùng chùm sóng milimet tạo bởi thiết bị gọi là gyrotron để làm tan chảy đá.

Tuy nhiên, tính đến nay, công nghệ mới được kiểm tra trong phòng thí nghiệm, khoan hố nông trong mẫu vật đá tương đối nhỏ. Công ty Quaise Energy cho biết nó có thể khoan xuyên qua đá ở tốc độ 3,5 m mỗi giờ. Dù tốc độ này khá chậm so với kỹ thuật khoan truyền thống, có nhiều lợi ích khác như mũi khoan không nghiền nát đá nên không bị mài mòn và không cần thay thế. Hiện nay, Quaise Energy đang ở giai đoạn cuối cùng của kiểm tra công nghệ sóng milimet trong phòng thí nghiệm để bắt đầu thử nghiệm thực địa vào đầu năm 2025. Nhưng đưa công nghệ khoan sóng milimet từ phòng thí nghiệm tới hoạt động khoan quy mô lớn vẫn là một thách thức.

Trong khi đó, công ty GA Drilling ở Slovakiađang khám phá một công nghệ khoan năng lượng cao khác để đào qua lớp vỏ Trái Đất. Họ sử dụng máy khoan xung plasma, dựa trên phóng điện năng lượng cao trong thời gian rất ngắn để làm tan vỡ đá mà không gây tan chảy. Điều này giúp tránh tạo ra bất kỳ loại đá nóng chảy trơn nhớt nào có thể khó loại bỏ và ngăn mũi khoan tiến sâu hơn. "Do quá trình cực nhanh với những luồng điện giật ngắn làm vỡ đá, không có thời gian để đá nóng chảy, giúp giảm phần lớn nhu cầu kéo lên và thay thế mũi khoan", Igor Kocis, chủ tịch kiêm giám đốc điều hành GA Drilling, cho biết. "Mục tiêu trong chương trình phát triển hiện tại của chúng tôi là độ sâu 5 - 8 km, sau này là trên 10 km. Độ sâu như vậy sẽ cho phép tiếp cận năng lượng địa nhiệt gần như ở mọi nơi".

Nghiên cứu về máy khoan xung plasma, sử dụng xung năng lượng rất ngắn để làm tan vỡ đá bằng khí ion hóa nóng tới 6.000 độ C, cũng là định hướng của một liên minh châu Âu do tập đoàn Geothermal Energy and Geofluids (GEG) đứng đầu, cùng với các đối tác ở Đức và Thụy Sĩ. GA Drilling đang hợp tác với Konstantina Vogiatzaki, phó giáo sư khoa học kỹ thuật ở Đại học Oxford để điều chỉnh thuật toán cao cấp nhằm xem xét chất lưu siêu tới hạn có thể được điều khiển như thế nào khi khai thác nguồn năng lượng dưới lòng đất sâu thông qua khoan plasma.

Nhiều đơn vị khác đang tìm kiếm giải pháp mới để khoan sâu thông qua công nghệ phát triển dành cho nhiệm vụ thám hiểm trên bề mặt sao Kim, nơi nhiệt độ có thể lên tới 475 độ C. Ví dụ, Ozark Integrated Circuits, nhà sản xuất thiết bị điện ở Fayetteville, Arkansas, Mỹ, đang điều chỉnh bảng mạch có thể chịu nhiệt độ cực hạn sử dụng ở giàn khoan địa nhiệt sâu trong lòng Trái Đất. NREL cũng đang dựa vào AI để phân tích môi trường phức tạp dưới lòng đất nhằm tìm vị trí tốt nhất để khoan nước siêu tới hạn, cũng như dự đoán và phát hiện lỗi ở máy khoan trước khi chúng gây ra vấn đề nghiêm trọng.

Công ty địa nhiệt Eavor cho biết họ đã đạt độ sâu 5 km với 2 giếng thẳng đứng tại Gerestried, Bavaria, Đức. Họ sử dụng hai trong số những giàn khoan lớn nhất châu Âu trên đất liền nhằm tạo ra nhà máy quy mô thương mại tại Geretsried, đưa nhiệt lượng địa nhiệt lên mặt đất thông qua nước tuần hoàn trong vòng khép kín gọi là Eavor Loop. Hệ thống đó trông giống một bộ tản nhiệt khổng lồ, với nước lạnh được nung nóng dưới lòng đất, sau đó quay trở lại bề mặt và dùng để sản xuất điện cũng như bơm vào các gia đình lân cận thông qua hệ thống sưởi trung tâm. Eavor hy vọng có thể bắt đầu sản xuất năng lượng tại chỗ vào nửa đầu năm 2025, theo John Redfern, giám đốc điều hành kiêm chủ tịch của Eavor. Jeanine Vany, nhà địa chất học đồng sáng lập Eavor cho biết công nghệ của họ có thể khoan sâu tới 11 km trong tương lai.

Phương pháp mạch khép kín của họ cũng giúp tránh vấn đề ô nhiễm xảy ra khi nước siêu nóng được khai thác từ giếng địa nhiệt sâu và giảm phát thải khí độc hại như hydro sulfide.

An Khang (Theo BBC)