地球蘊含著巨大的能量,而人類只是在取其皮表上的能量使用。
人類使用的能源絕大部分是化石能源,它們是遠古生物經過一系列變化得到的,本質上還是地殼表面的能量。
然而,地球的能量更多的是集中在地殼之下。
我們經歷的很多自然災害,比如地震、火山噴發、海嘯等,就是地球內部在釋放能量。
恐怖的是,那只是地球釋放的一點點的能量,就像睡覺翻個身一樣。
地球釋放能量
因此,如果人類能夠利用地球內部的能量,那麼我們就將徹底擺脫能源危機。
上個世紀,蘇聯率先開始了向著地心出發的計劃,可卻在萬米左右戛然而止。
目前人類的三大鑽探深度分別為:Odoptu OP-11油井的12345米、阿肖辛油井的12289米以及科拉鑽孔的12263米。
然而,根據媒體報道,美國公司Quaise Energy公司有望在未來打破這個紀錄,將深度擴展到了20000米,也就是20千米!
科拉鑽孔
波鑽之力
人類之所以鑽探會被卡在12000米這個臨界點,是因為鑽頭。
就拿蘇聯的地心計劃科拉鑽孔來說吧,最後的263米,足足鑽了10年的時間,從1983年鑽到了1993年。
因為越往下鑽探,岩石的密度就越大,鑽頭與岩層的摩擦也越來越熱,導致鑽頭崩壞。
制約人類鑽探腳步的就是鑽頭的質量,傳統的金屬鑽頭無論怎樣革新,都只能在自己原有的硬度上疊加。
科拉鑽孔的鑽頭
因此,鑽探深度的突破值並沒有拉開巨大的差距。
但是Quaise Energy公司的鑽頭不一樣,它並不是採取的接觸式鑽探,而是採用的波。
鑽頭前端發出振動波,讓其與岩石之間產生共振,這樣岩石內部的溫度就會直線升高,最後岩石被加熱融化掉。
這個原理有點像我們生活中的微波爐,利用波的振動,加熱食物,只不過這個波加熱的是岩石。
這個鑽頭的好處就是,不會產生損耗,能一直鑽下去,初步計劃是鑽探到20千米深的地方。
目前Quaise Energy公司已經獲得了4000萬美元的資金,他們在不久之後就會開始啟動新的地心計劃。
那麼,地球內部的能量都有哪些呢?
波鑽的原理和微波爐有點像
地球結構
地球有三大部分組成,分別是地殼、地幔和地核。
這其中,地殼是地球上最薄最少的一部分,只佔據地球總體積的1.55%,總質量的0.8%,類似於地球的皮膚。
地殼的平均厚度為17千米,以往的各種鑽探深度都沒有突破地殼的範圍,只有Quaise Energy公司的20千米才算是達到了下一個層面。
地殼結構
地殼之下是地幔,地幔是整個地球佔比最多的物質,它的體積佔據了整個地球體積的82.26%,厚度達到了2800千米以上。
因為太厚了,導致不同位置的地幔密度不相同,狀態也不相同。
因此它被分為了上下兩層。上地幔的密度接近於岩石,在它的最上邊有一個軟流層,厚度大約180千米。
軟流層可以看作是熔融狀態的岩石,溫度在700到1300℃,是岩漿的發源地。
軟流層被噴出
波鑽的20千米,還沒有到達軟流層,正處於莫霍界面,也就是地殼和地幔的分界處,為地面之下20達到70千米的範圍,而軟流層位於70到250千米的範圍內。
地球最深處的能量是地核,這裡也是整個地球最熱、密度最高的地方。
地核最大密度為每立方厘米12.5克,平均密度在10.3克/立方厘米,溫度在4000到6800℃。
由於人類從來沒有到過地核,只能根據推測得出地核含量最多的元素應該是鐵、鈷、鎳,它們是磁鐵的主要成分,所以地球才會產生磁場。
地球的結構
關於地核的能量來源,一部分認為是核聚變,因為鐵、鈷、鎳正好是自行合成原子的極限,即元素周期表26到28號元素。
還有一部分科學家認為,是核裂變,因為地殼中含有鈾、鈈等放射性元素,那麼地核內部應該也有。
那麼,鑽探到20千米也沒有深入到地幔,Quaise Energy公司想要的是什麼能量呢?
地球上的鈾礦石
「無限」的能源
Quaise Energy公司想要的是地球的熱能,簡稱地熱。
從地表往下走,每下降100米溫度增加2℃,那麼20千米的地下,溫度到了400℃。
將這個熱能轉換為電能,就能取代現在的火力發電。
根據科學家們的計算,整個地球的熱能量超過了1 × 10^19 TJ,如果按照2018年地球的煤炭消耗量80億噸來計算,地球的熱能足夠人類使用620億年。
而地殼內的煤儲備量,只夠人類使用大約200年。
地熱發電站
可以看出,地球的能量,從某種程度來說是「無限」的。
因為太陽的壽命都沒有600多億年長,目前太陽還剩下大約50億年的時間。
也就是說,地球的熱能可以堅持到太陽「爆炸」,難道還不算「無限」嗎?
所以,波鑽的20千米,是打開莫霍界面的關鍵,也是人類能否獲得地球更多熱量的至關之戰。
然而,有科學家卻指出,地球的能量固然很大,但是這些熱量的消耗速度也是非常快的。
莫霍界面所在的位置
地核冷卻
由於人類無法進入到地核,甚至地幔都進不去,所以關於地核真正的結構,都是以假說的形式出現的。關於地核能量的來源,科學家們也持不同的看法。
有科學家認為,地球的內核是一個巨大的核反應堆,如果是核裂變反應,那麼放射性元素是具有時間的。
地球都誕生約46億年了,按照一些元素的半衰期來看,是會在未來20億年的時間消耗完成的。
如果地球內核的內部是核聚變反應,那麼按照宇宙元素自然合成的規律,鐵、鈷、鎳已經是聚變的極限,只有極少數還能在苛刻的條件下繼續合成,大多數原子會最終停留於此。
熾熱的地核
地球的內核在反應完成後,逐漸冷卻,地核的溫度急劇下降,最後變為冰冷的鐵質硬核。
沒有了地核的能量,地球會開始出現降溫,地核會收縮,造成地球表面的坍塌,地球會縮小。
有人說到,火星很有可能就是地球地核冷卻後的模樣。
火星被認為在過去和地球是一樣的,有生命、有海洋。
更多的科學家認為火星一直沒有形成大氣層,無法保護自己的水,才導致失去了水。
但有一部分科學家卻認為,火星在過去是和地球是差不多大的,但是火星的內核先地球一步冷卻,導致火星出現了收縮。
火星表面
火星土壤里含量最多的元素是鐵,它紅色的表面就是氧化鐵塑造的。
為什麼火星會有這麼多鐵?
科學家認為,當初火星的內核核聚變達到了極限,無法再繼續聚合下去。
火星的內核能量沒有了,火星的磁場、大氣、水統統在塌陷收縮中不復存在。
最後只留下了一顆冰冷、乾燥的紅色星球。
乾燥寒冷的火星
不過就算是地核冷卻,也還有大約20億年的時間,對於人類來說,這個時間足以讓我們的文明達到更高的維度。
物理學家加來道雄曾說過,人類在100到200年後可以達到1級文明。
1級文明意味著人類可以將地球所有的能量加以使用,也就是上面提到的1 × 10^19 TJ熱能。
而人類在到達1級文明之後,還需要1000到2000年的時間成為2級文明,即完全利用太陽的能量。
戴森球
人類將造出戴森球,獲取太陽的所有能量,而不單單是地球接收到的太陽能。
當人類到達3級文明後,太陽系對於人類已經不值得一提,銀河系才是我們的家園,所有恆星都是我們的「礦產」。
從2級到3級文明人類需要大約15萬年。
這樣看下來,20億年的時間,足以發展到離開地球的程度。
未來的星際旅行
如果波鑽能夠成功,那麼這是人類邁向1級文明最重要的一步。