钻入地壳20千米!释放无限能源,美国公司的波钻究竟是什么技术?

2022年07月01日02:06:12 科学 1073

地球蕴含着巨大的能量,而人类只是在取其皮表上的能量使用。

人类使用的能源绝大部分是化石能源,它们是远古生物经过一系列变化得到的,本质上还是地壳表面的能量

然而,地球的能量更多的是集中在地壳之下

我们经历的很多自然灾害,比如地震、火山喷发、海啸等,就是地球内部在释放能量

恐怖的是,那只是地球释放的一点点的能量,就像睡觉翻个身一样

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地球释放能量

因此,如果人类能够利用地球内部的能量,那么我们就将彻底摆脱能源危机

上个世纪,苏联率先开始了向着地心出发的计划,可却在万米左右戛然而止。

目前人类的三大钻探深度分别为:Odoptu OP-11油井的12345米、阿肖辛油井的12289米以及科拉钻孔的12263米。

然而,根据媒体报道,美国公司Quaise Energy公司有望在未来打破这个纪录,将深度扩展到了20000米,也就是20千米

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科拉钻孔

波钻之力

人类之所以钻探会被卡在12000米这个临界点,是因为钻头

就拿苏联的地心计划科拉钻孔来说吧,最后的263米,足足钻了10年的时间,从1983年钻到了1993年。

因为越往下钻探,岩石的密度就越大,钻头与岩层的摩擦也越来越热,导致钻头崩坏。

制约人类钻探脚步的就是钻头的质量,传统的金属钻头无论怎样革新,都只能在自己原有的硬度上叠加

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科拉钻孔的钻头

因此,钻探深度的突破值并没有拉开巨大的差距。

但是Quaise Energy公司的钻头不一样,它并不是采取的接触式钻探,而是采用的

钻头前端发出振动波,让其与岩石之间产生共振,这样岩石内部的温度就会直线升高,最后岩石被加热融化掉

这个原理有点像我们生活中的微波炉,利用波的振动,加热食物,只不过这个波加热的是岩石

这个钻头的好处就是,不会产生损耗,能一直钻下去,初步计划是钻探到20千米深的地方。

目前Quaise Energy公司已经获得了4000万美元的资金,他们在不久之后就会开始启动新的地心计划

那么,地球内部的能量都有哪些呢?

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波钻的原理和微波炉有点像

地球结构

地球有三大部分组成,分别是地壳、地幔和地核

这其中,地壳是地球上最薄最少的一部分,只占据地球总体积的1.55%总质量的0.8%,类似于地球的皮肤

地壳的平均厚度为17千米,以往的各种钻探深度都没有突破地壳的范围,只有Quaise Energy公司的20千米才算是达到了下一个层面。

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地壳结构

地壳之下是地幔,地幔是整个地球占比最多的物质,它的体积占据了整个地球体积的82.26%,厚度达到了2800千米以上

因为太厚了,导致不同位置的地幔密度不相同,状态也不相同。

因此它被分为了上下两层。上地幔的密度接近于岩石,在它的最上边有一个软流层,厚度大约180千米

软流层可以看作是熔融状态的岩石,温度在700到1300℃,是岩浆的发源地

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软流层被喷出

波钻的20千米,还没有到达软流层,正处于莫霍界面,也就是地壳和地幔的分界处,为地面之下20达到70千米的范围,而软流层位于70到250千米的范围内。

地球最深处的能量是地核,这里也是整个地球最热、密度最高的地方

地核最大密度立方厘米12.5克平均密度10.3克/立方厘米,温度在4000到6800℃

由于人类从来没有到过地核,只能根据推测得出地核含量最多的元素应该是铁、钴、镍,它们是磁铁的主要成分,所以地球才会产生磁场

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地球的结构

关于地核的能量来源,一部分认为是核聚变,因为铁、钴、镍正好是自行合成原子的极限,即元素周期表26到28号元素

还有一部分科学家认为,是核裂变,因为地壳中含有铀、钚等放射性元素,那么地核内部应该也有。

那么,钻探到20千米也没有深入到地幔,Quaise Energy公司想要的是什么能量呢?

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地球上的铀矿石

“无限”的能源

Quaise Energy公司想要的是地球的热能,简称地热。

从地表往下走,每下降100米温度增加2℃,那么20千米的地下,温度到了400℃

将这个热能转换为电能,就能取代现在的火力发电

根据科学家们的计算,整个地球的热能量超过了1 × 10^19 TJ,如果按照2018年地球的煤炭消耗量80亿吨来计算,地球的热能足够人类使用620亿年

地壳内的煤储备量,只够人类使用大约200年

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地热发电站

可以看出,地球的能量,从某种程度来说是“无限”的。

因为太阳的寿命都没有600多亿年长,目前太阳还剩下大约50亿年的时间。

也就是说,地球的热能可以坚持到太阳“爆炸”,难道还不算“无限”吗?

所以,波钻的20千米,是打开莫霍界面的关键,也是人类能否获得地球更多热量的至关之战。

然而,有科学家却指出,地球的能量固然很大,但是这些热量的消耗速度也是非常快的。

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莫霍界面所在的位置

地核冷却

由于人类无法进入到地核,甚至地幔都进不去,所以关于地核真正的结构,都是以假说的形式出现的。关于地核能量的来源,科学家们也持不同的看法。

有科学家认为,地球的内核是一个巨大的核反应堆,如果是核裂变反应,那么放射性元素是具有时间的。

地球都诞生约46亿年了,按照一些元素的半衰期来看,是会在未来20亿年的时间消耗完成的。

如果地球内核的内部是核聚变反应,那么按照宇宙元素自然合成的规律,铁、钴、镍已经是聚变的极限,只有极少数还能在苛刻的条件下继续合成,大多数原子会最终停留于此。

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炽热的地核

地球的内核在反应完成后,逐渐冷却,地核的温度急剧下降,最后变为冰冷的铁质硬核

没有了地核的能量,地球会开始出现降温,地核会收缩,造成地球表面的坍塌,地球会缩小。

有人说到,火星很有可能就是地球地核冷却后的模样

火星被认为在过去和地球是一样的,有生命、有海洋

更多的科学家认为火星没有形成大气层,无法保护自己的水,才导致失去了水。

但有一部分科学家却认为,火星在过去是和地球是差不多大的,但是火星的内核先地球一步冷却,导致火星出现了收缩

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火星表面

火星土壤里含量最多的元素是铁,它红色的表面就是氧化铁塑造的。

为什么火星会有这么多铁?

科学家认为,当初火星的内核核聚变达到了极限,无法再继续聚合下去。

火星的内核能量没有了,火星的磁场、大气、水统统在塌陷收缩中不复存在

最后只留下了一颗冰冷、干燥的红色星球

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干燥寒冷的火星

不过就算是地核冷却,也还有大约20亿年的时间,对于人类来说,这个时间足以让我们的文明达到更高的维度

物理学家加来道雄曾说过,人类在100到200年后可以达到1级文明

1级文明意味着人类可以将地球所有的能量加以使用,也就是上面提到的1 × 10^19 TJ热能

而人类在到达1级文明之后,还需要1000到2000年的时间成为2级文明,即完全利用太阳的能量

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戴森球

人类将造出戴森球,获取太阳的所有能量,而不单单是地球接收到的太阳能。

当人类到达3级文明后,太阳系对于人类已经不值得一提,银河系才是我们的家园,所有恒星都是我们的“矿产”。

2级到3级文明人类需要大约15万年

这样看下来,20亿年的时间,足以发展到离开地球的程度。

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未来的星际旅行

如果波钻能够成功,那么这是人类迈向1级文明最重要的一步。

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