Kolmen kilometrin syvyydessä maan alla perinteiset porausvälineet joutuvat liian tiukkaan paikkaan. Viikkojen ajan saveen, hiekkaan ja soraan tunkeuduttuaan ne ovat törmänneet graniittiseen kallioperään.
Insinöörit ovat kuitenkin keksineet ratkaisun ongelmaan. He vaihtavat porauspään erikoiseen putkeen, joka näyttää päättyvän lautasantenniin.
Hetken kuluttua lautasantenni alkaa lähettää voimakasta sähkömagneettista säteilyä. Sen vaikutuksesta reiän kivipohja höyrystyy ja kirjaimellisesti häviää. Ja vieläpä aika haipakkaa!
Kun tavallisella poralla kilometrin matkaan kuluu kuukausia, lautasantenni etenee kilometrin viikossa ja jättää jälkeensä sileäreunaisen pystysuoran kaivon, jonka läpimitta on 20 senttiä.
Mullistavan poraustavan takana on yhdysvaltalaisyhtiö Quaise. Vaikka kone on vasta piirustuslaudalla, monet ovat valmiita sijoittamaan sen kehittämiseen, sillä tekniikassa piilee mahdottomasti potentiaalia.
Tavoitteena on polttaa maahan 100 päivässä 20 kilometriä syvä reikä.
Yrityksen laskelmien mukaan on mahdollista päästä 20 kilometrin syvyyteen 100 päivässä. Jos kaikki sujuu suunnitellusti, tehdään energiavallankumous, jonka ansiosta vihreä siirtymä on lastenleikkiä.
Islanti näyttää mallia
Quaisen tarkoituksena on ammentaa siitä valtavasta lämmönlähteestä, joka piilee maapallon sisäosissa. Nykykäsityksen mukaan 20 kilometrin syvyydessä vallitsee kaikkialla 400–500 asteen lämpötila.
Lämpö juontuu Maan muodostumisvaiheesta ja kallioperän radioaktiivisten aineiden – lähinnä uraanin, toriumin ja kaliumin – jatkuvasta hajoamisesta.
Jos geotermistä eli maansisäistä energiaa saadaan käyttöön, sähköä voidaan tuottaa yleisesti tavalla, joka on nykyään mahdollinen vain joissakin paikoissa. Yksi niistä on Islanti. Siellä neljäsosa kuluttajille jaettavasta sähköstä perustuu geotermiseen energiaan.
Vulkaanisen toiminnan takia Islannin alla oleva maankuori on ohut. SIksi voimalat voivat helposti hyödyntää maansisäistä lämpöä.
Islannin lisäksi muun muassa Japani ja Uusi-Seelanti ovat energian suhteen onnellisessa asemassa. Islanti sijaitsee Atlantin keskiselänteen alueella, jossa uutta merenpohjaa syntyy jatkuvasti vulkaanisen toiminnan tuloksena.
Geologisen aktiivisuuden vuoksi maankuori pysyy ohuena, ja lämmönlähteeseen päästään käsiksi leikillisesti sanottuna pintaa raapaisemalla. Energialla voidaan tuottaa sähköä ja lämmittää sisätiloja.
Kun vesi on vähintään 50-asteista, sitä voidaan käyttää lämmittämiseen, mutta sähköntuotanto vaatii ainakin 150-asteista vettä.
Useimmissa paikoissa maansisäistä lämpöä kannattaa hyödyntää sähkövoimalaitoksissa vain siinä tapauksessa, että sitä saadaan paljon helposti ja edullisesti syvältä maankuoresta.
Geotermistä energiaa voidaan käyttää nykyään sähköntuotantoon vain rajallisesti (punaiset alueet). Energialähde avautuisi kaikkialla, jos olisi mahdollista porautua 20 kilometrin syvyyteen.
Quaise yrittää ratkaista ongelman uudella poraustekniikallaan.
”Vuoden 2022 aikana siirrymme metrin koeporauksista kymmeneen metriin. Sitten alkaa seuraava vaihe. Tavoitteenamme on saada tekniikka niin valmiiksi vuonna 2024, että voidaan alkaa porata syvälle”, kertoo yhtiön perustajiin kuuluva Quaisen johtaja Carlos Araque Tieteen Kuvalehdelle.
Perinteisen poraamisen sijasta Quaisen kone kirjaimellisesti polttaa tiensä kallion läpi. Sen keskeinen osa on sähkömagneettisia aaltoja tuottava laite, gyrotroni.
Tekniikka on jo olemassa
Gyrotronin tuottama suurienergiainen säteily sijoittuu millimetrialueelle. Sen taajuus on 30–300 gigahertsiä. Tätä tekniikkaa Quaisen ei tarvitse kehittää itse, sillä sitä käytetään jo.
Gyrotronit ovat toista energialähdettä, fuusioreaktoria, kehittävien tutkijoiden käytössä. Niillä nostetaan polttoaineen lämpötila yli 100 miljoonaan asteeseen.
Gyrotroneilla kuumennetaan polttoainetta fuusioreaktoreissa, kuten kuvan Ranskaan rakennettavassa ITER-koelaitoksessa.
Quaiselle riittää vähempikin lämpö, sillä porausreiän kalliopohja höyrystyy jo 3 000 asteessa. Käytännön haasteisiin kuuluu suurienergiaisen säteilyn saattaminen maan uumeniin.
Mikroaaltojen siirrosta huolehtivat metalliset aaltoputket, joissa häviö jää melkein olemattomaksi. Reiän pohjalla aaltoputkesta poistuvat mikroaallot polttavat kallion hienoksi tuhkamaiseksi poroksi.
Palamisjäännös poistetaan tyylikkäästi argonilla. Pumpattu jalokaasu sekoittuu pohjalla olevaan jauheeseen, ja seos nousee maanpinnalle.
Mikroaallot höyrystävät kalliota
Quaise soveltaa uudenlaista tekniikkaa kallioperän poraamiseen. Gyrotronin tuottamat mikroaallot polttavat kalliota poroksi. Tuhkamainen aine poistetaan kaasun avulla.
1. Gyrotroni lähettää mikroaaltoja
Gyrotroni otetaan käyttöön, kun tavallinen pora on tehnyt reiän maahan. Se tuottaa suurienergiaista säteilyä, joka johdetaan reiän pohjalle aaltoputkilla.
2. Mikroaallot polttavat kiveä
Reiän pohjalla mikroaallot nostavat lämpötilan 3 000 asteeseen. Silloin kallio höyrystyy jopa 15 sentin säteellä. Kauempana kiviaines sulaa, mutta jäähdyttyään se jähmettyy ja lujittaa näin reikää.
3. Kaasu nostaa tuhkan
Höyrystynyt kallio kiteytyy nopeasti hienoksi kivijauheeksi, joka muistuttaa vulkaanista tuhkaa. Sen poistamiseksi reikään pumpataan argonia. Nouseva kaasu kuljettaa tuhkan ulos.
Quaisen menetelmän etuihin kuuluu se, ettei reikään viedä kuluvia ja siten vaihdettavia osia.
Lisäksi reikä lujittuu itsestään, sillä se saa sulamisen jälkeen lasiksi jähmettyvästä kiviaineksesta kestävän kotelon. Tavallinen porausreikä pitää lujittaa kalliilla metallisella sisäputkella, joka hidastaa valmistumista.
Kaksi kärpästä yhdellä iskulla
Quaise on siis ratkaissut syväporauksen kaksi ydinongelmaa, jotka liittyvät reiän lujittamiseen ja poistettavan aineksen nostamiseen maanpinnalle.
Haasteiden vuoksi perinteisen mekaanisen porauksen kustannukset kasvavat eksponentiaalisesti syvyyden lisääntyessä. Myös etenemisnopeus pienenee kilometri kilometriltä.
Samoista syistä ei ole onnistuttu poraamaan koskaan niin syvälle kuin Quaise kaavailee menevänsä. Kaikkien aikojen syvin porausreikä on Kuolan supersyvä porausreikä. Neuvostoliittolaisessa hankkeessa saavutettiin yli 12,2 kilometrin syvyys vuonna 1989.
Maailman syvin reikä porattiin Kuolan niemimaalle vuosien 1970 ja 1989 välisenä aikana. Kesti siis 19 vuotta päästä reilun 12 kilometrin syvyyteen. Quaise yrittää tehdä melkein kaksi kertaa niin pitkän reiän uudella tekniikalla.
Perinteisen porauksen tekniset rajoitukset selittävät paljolti sen, miksi geotermisen energian osuus maailman 20:tä terawattituntia hipovasta energiankulutuksesta on vain sadasosa. Terawatti on 1012 wattia, eli ykkösen perässä on 12 nollaa.
”Tavoitteenamme on syvältä otettavalla geotermisellä energialla tuottaa peruskuormaenergiaa terawattimittakaavassa”, toteaa Carlos Araque.
Ja peruskuormaenergia on avainasemassa vihreässä siirtymässä. Sillä pidetään nimittäin yllä sitä yleistä sähkönkulutuksen tasoa, jota ei voida alittaa.
Peruskuormaenergiaa tuotetaan paljon voimalaitoksissa, jotka käyttävät fossiilisia polttoaineita. Myös vesivoimalat voivat reagoida kulutuksen vaihteluihin niin kauan kuin patoaltaissa riittää vettä. Aurinko- ja tuulivoiman osalta sähköntuotanto riippuu sen sijaan vuorokauden- ja vuodenajasta sekä säästä.
Jos maansisäistä energiaa voidaan hyödyntää laajasti, se täydentää mahtavasti uusiutuvia energialähteitä, jotka vähentävät riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.
Riittävästi sähköä neljästä lähteestä
Ihmiskunta voisi tyydyttää sähköntarpeensa uusiutuvilla energianlähteillä, kun tuuli-, aurinko- ja vesivoima ja maansisäinen lämpö yhdistetään järkevästi. Lue lisää täältä.
Quaisen hanke voi siis aiheuttaa mullistuksen energiahuollossa. Lopputulos riippuu siitä, kuinka gyrotroniporaukset lunastavat odotukset.
Yrityksen laboratoriotutkimusten mukaan gyrotronin avulla on mahdollista höyrystää kalliota, mutta ei ole sanottua, että tekniikka toimii käytännössä, kun käytetään kilometrienpituista aaltoputkea oikeassa reiässä.
Syväporauksessa on tarkoitus käyttää gyrotronin tuottamia mikroaaltoja. Laboratoriotutkimuksissa tekniikka pelaa: sillä on poltettu läpimitaltaan viisisenttinen reikä kiveen (oikealla).
Voimalat uudistuvat
Jos idea on toteutettavissa, syviä reikiä voidaan porata minne vain paljon nykyistä edullisemmin. Silloin energiayhtiöiden on mahdollista luopua kivihiilestä ja öljystä nykyisissä voimalaitoksissaan ja perustaa sähköntuotantonsa pelkästään maansisäiseen lämpöön.
Voimala tarvitsee kaksi syvää reikää päästäkseen tuottamaan sähköä ilman hiilidioksidipäästöjä.
Tehokkuuden kannalta parasta on pumpata vettä sinne, missä kallion lämpötila on 400–500 astetta. Kuumuus ja suuri paine muuttavat veden ominaisuuksia. Vesi voi tunnetusti olla maanpinnalla kaasumaista, nestemäistä ja kiinteää, mutta sillä on myös neljäs olomuoto.
Vedestä tulee tietyissä olosuhteissa superkriittistä. Kyse on faasimuutoksesta, jossa veden energiamäärä on jopa kymmenkertainen tavalliseen verrattuna. Superkriittinen vesi sopii erinomaisesti sähköntuotantoon, sillä se voi haastaa energiatiheydellään fossiiliset polttoaineet.
Tekniikka ja luonto valmiina
Geotermistä energiaa on teknisesti mahdollista hyödyntää jo nyt. Ja nykyiset hiili- ja kaasuvoimalat ovat sopeutettavissa sen tarpeisiin. Eikä itse kallioperälle tarvitse tehdä mitään, jotta siitä saadaan irti paljon lämpöä.
1. Kylmä vesi rikkoo kalliota
Pumput paineistavat ensimmäisen porausreiän kautta lähetettävää kylmää vettä. Kun vesi virtaa 20 kilometrin syvyyteen, se saa kuivan, 400–500 asteisen kallion halkeilemaan ja säröilemään.
2. Vesi kerää itseensä energiaa
Kun alas pumpataan enemmän vettä, syntyy varastoja, joissa lämpötila ja paine kasvavat. Vedestä tulee superkriittistä, ja se voi sisältää kymmenkertaisen määrän energiaa tavalliseen verrattuna.
3. Kuuma höyry pyörittää turbiineja
Superkriittinen vesi imetään ylös. Kun se tulee maanpinnalle, paine pienenee ja syntyy kuumaa höyryä, jolla voidaan tuottaa sähköä, kun käytetään esimerkiksi vanhojen hiilivoimaloiden turbiineja ja generaattoreita.
Quaisen yritysidea perustuu siihen, että jo olemassa olevat voimalaitokset siirtyvät käyttämään geotermistä energiaa.
”Vihreää siirtymää ei voida aloittaa niin, että kaikki vanha korvataan uudella. Se olisi kaikkea muuta kuin kestävää”, toteaa Carlos Araque ja jatkaa:
”Voimalaitokset ovat vuosikymmenien ellei vuosisatojen työpanoksen tuloksia. Yksinkertaisten muutosten jälkeen ne eivät aiheuta enää hiilidioksidipäästöjä.”
Carlos Araque uskoo, että Quaise saa ensimmäisen fossiilisia polttoaineita käyttävän voimalaitoksen toimimaan syvältä maan uumenista ammennettavalla lämmöllä vuoteen 2030 mennessä – jos hanke etenee toivotusti.
