ایده‌ای جذاب برای ترکیب همجوشی هسته‌ای
استفاده از فناوری همجوشی هسته‌ای برای بهره‌بردن از گرمای محبوس در لایه‌های درونی زمین، میتواند نگرانی بشر مدرن درباره تأمین انرژی را برای میلیون‌ها سال آتی رفع کند.
یکی از دپارتمان‌های MIT پس از جدا‌شدن از این مؤسسه، در قالب شرکت کووییز به فعالیت در زمینه انرژی زمین‌گرمایی روی آورده است. اکنون این شرکت می‌گوید برای حفر عمیق‌ترین چاه در تاریخ از فناوری همجوشی هسته‌ای استفاده خواهد کرد تا شاید راهی برای استفاده از انرژی پاک و تقریباً تمام‌نشدنی زمین‌گرمایی پیدا کند. در آینده، از این انرژی گرمایی فرابحرانی می‌توان به‌عنوان جایگزین سوخت‌های فسیلی برای راه‌اندازی نیروگاه‌های تولید برق در سراسر دنیا استفاده کرد.
گرمای زیر پای ما
همه ما می‌دانیم که هسته زمین داغ است؛ اما شاید میزان داغی مرکز زمین برای بسیاری تعجب‌آور باشد. دما در هسته آهنی زمین درحدود ۵۲۰۰ درجه سانتی‌گراد تخمین زده می‌شود.
این گرما ناشی از فعالیت عناصر رادیواکتیو در هسته زمین است که با گرمای کهن به‌دام‌افتاده در هنگام تشکیل سیاره زمین ادغام می‌شود. تشکیل زمین اتفاقی بسیار شدید و پرآشوب بود که طی آن، ابرهای متشکل از گاز داغ و ذرات گردوغبار براثر نیروی گرانش خود به یکدیگر برخورده کردند و شکل کروی و فشرده به‌خود گرفتند؛ به‌نحوی که گرمای مرکز سیاره راهی برای گریز به فضای بیرون پیدا نکرد.
در مواقعی که دسترسی به این گرمای نهان وجود داشته باشد، می‌توان از آن به‌صورت انرژی زمین‌گرمایی استفاده کرد. به‌گفته پاول ووسکوف، مهندس و محقق ارشد در حوزه فناوری همجوشی هسته‌ای در مؤسسه فناوری ماساچوست، گرمای زیر پوسته زمین به‌حدی زیاد است که تنها یک‌دهم درصد از آن میتواند کل نیاز جهان به انرژی را برای ۲۰ میلیون سال بعدی تأمین کند.
مشکل اصلی در استفاده از انرژی زمین‌گرمایی موضوع دسترسی به آن است. زمانی که منابع گرمای زیرزمینی به‌طور طبیعی در نزدیکی سطح زمین دردسترس و باتوجهبه هزینه‌های انتقال انرژی به نیروگاه تولید برق نزدیک باشند، در آن صورت می‌توان گفت انرژی زمین‌گرمایی نویدبخش نسل جدید و پایدار انرژی‌های سبز خواهد بود.
خورشید گاهی اوقات به پشت ابرها می‌رود و باد گاهی نمی‌وزد؛ اما مرکز سیاره ما همیشه داغ است. بااین‌حال، برآورده‌شدن همه شرایطی که به آن‌ها اشاره شد، تقریباً ناممکن است؛ درنتیجه، امروزه انرژی زمین‌گرمایی تنها سه‌دهم درصد از کل مصرف برق دنیا را تأمین می‌کند.
ایده‌ای جذاب برای ترکیب همجوشی هسته‌ای
عمیق‌ترین چاه‌های حفرشده در تاریخ بشر هم کافی نیستند
اگر بتوانیم چاه‌های بسیار عمیق را حفر کنیم، می‌توانیم نیروگاه‌های زمین‌گرمایی را در محل دلخواهمان احداث کنیم؛ اما انجام این کار به همین راحتی نیست. پوسته زمین ضخامتی بین ۵ تا ۷۵ کیلومتر دارد و در اغلب مواقع، نازک‌ترین قسمت پوسته در زیر اقیانوس‌ها قرار گرفته است.
عمیق‌ترین چاهی که انسان‌ها تاکنون حفر کرده‌اند، چاه اَبَرعمیق «کولا» نام دارد. در سال ۱۹۷۰، اتحاد جماهیر شوروی این پروژه را در نزدیکی مرز نروژ آغاز کرد. اتحاد جماهیر شوروی که با ایالات متحده آمریکا در همه زمینه‌ها در رقابت بود، تصمیم گرفت در قالب پروژه تحقیقات درون‌زمینی با سوراخ‌کردن پوسته و رسیدن به قسمت گوشته زمین، در این زمینه رکوردشکنی کند.
یکی از چاه‌های حفرشده به‌وسیله تیم کولا به عمق ۱۲۲۸۹ متری رسید، تا اینکه سرانجام تیم به این نتیجه رسید که ادامه عملیات به دلایل فنی و هزینه‌های گزاف آن ناممکن است.
اعضای تیم کولا انتظار داشتند در عمق ۱۲ کیلومتری زمین دما درحدود ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد؛ اما دمای ثبت‌شده بسیار بیشتر بود، چیزی درحدود ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد. همچنین، تیم حفاری متوجه شد که در این عمق چگالی سنگ‌ها کمتر و تخلخل آن‌ها بیش از حد انتظار است.
مجموع این عوامل به‌همراه دمای بسیار زیاد باعث شده بود شرایط حفاری به کابوس تبدیل شود.
هدف تیم کولا رسیدن به عمق ۱۵ هزار متری بود؛ اما در چنین عمقی دما می‌توانست به ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد. در این دما، تجهیزات حفاری کاری از پیش نمی‌بردند؛ ازاینرو، در سال ۱۹۹۲ و پس از ثبت رکورد ۱۲,۲۸۹ متر به پروژه کولا خاتمه داده شد. محل پروژه کولا اکنون به مخروبه تبدیل شده است و این دروازه جهنم و اوج یا شاید حضیض دستاورد بشری با صفحه آهنی جوش داده و دهانه آن مسدود شده است.
ایده‌ای جذاب برای ترکیب همجوشی هسته‌ای
در اواخر دهه ۱۹۸۰، آلمان مبلغی معادل ۲۵۰ میلیون یورو در پروژه حفاری چاه اَبَرعمیق خود هزینه کرد؛ اما برنامه حفاری عمیق قاره‌ای آلمان یا پروژه KTB قبل از توقف پروژه، تنها توانست به عمق ۹,۱۰۱ متری دست پیدا کند.
در این برنامه حفاری نیز همانند مشابه روسی خود، دما بسیار قبل‌تر از پیش‌بینی‌های دانشمندان سیر صعودی پیدا کرد. همچنین، تیم KTB متوجه شدند که در عمق ۹ کیلومتری سنگ‌ها به‌صورت جامد نیستند و با حفاری بیشتر، میزان زیادی مواد مایع و گاز از سوراخ چاه بالا می‌آمد و همین باعث پیچیده‌تر‌شدن عملیات شده بود.
دماهای دست‌یافته در این پروژه‌های حفاری به‌اندازه‌ای زیاد بودند که عملیات حفاری را با مشکل مواجه می‌کردند؛ اما نه به‌اندازه‌ای که بتوان برمبنای آن نیروگاه زمین‌گرمایی تأسیس کرد. بنابراین، با اینکه اطلاعات به‌دست‌آمده از این پروژه‌ها و نمونه‌های مشابه آن‌ها در سراسر دنیا به منابع علمی و تحقیقاتی باارزشی تبدیل شدند، نیاز به فناوری جدید برای استفاده از قابلیت فراوان انرژی زمین‌گرمایی را به ما گوشزد کردند.
راه‌حل جدید؛ حفاری با انرژی مستقیم
محققان باتوجهبه این موضوع که با افزایش عمق چاه و دمای زمین شرایط برای عملکرد تجهیزات فیزیکی حفاری ناممکن می‌شود، به آزمایش روش‌های جدید حفاری ازجمله روش تابش مستقیم پرتوهای انرژی روی آورده‌اند.
در روش تابش مستقیم انرژی یا به‌اصطلاح پراش، از پرتوهای لیزر برای گرمادهی، ذوب‌کردن، شکستن و حتی بخارکردن سنگ‌های بستر استفاده می‌شود؛ حتی قبل از اینکه سرمته با سنگ تماس پیدا کند.
در گیف زیر، می‌توانید اثر پراش را روی سنگی سخت ببینید. در این تصویر، ربات حفاری سریع پترا از گرمادهی برای بخارکردن سنگ استفاده می‌کند؛ بااین‌حال، شرکت پترا منبع تولید این میزان حرارت برای ربات خود را فاش نکرده است.
ایده‌ای جذاب برای ترکیب همجوشی هسته‌ای
تحقیقات نظامی که در اواخر دهه ۱۹۹۰ درزمینه حفاری انجام شد، نتایج امیدوارکننده‌ای درباره مزیت‌های فناوری حفاری به‌کمک لیزر ارائه کرد. طبق نتایج این مطالعات، حفاوری با تابش مستقیم انرژی درمقایسه‌با روش‌های سنتی حفاری فیزیکی با مته ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر است. همین موضوع باعث جلب توجه شرکت‌های بزرگ حفاری نفت و گاز به این فناوری شد.
در سال ۲۰۱۴، کنث اوگلزبی، مدیر شرکت ایمپکت تکنولوژیز، در گزارش مؤسسه فناوری ماساچوست به دپارتمان برنامه فناوری زمین‌گرمایی متعلق به وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا به چهار مزیت بزرگ حفاری با روش انرژی مستقیم اشاره کرد: ۱. استفاده‌نکردن از ابزار مکانیکی و از بین رفتن احتمال شکستگی و ساییدگی آن‌ها؛ ۲. نبود محدودیت دمایی برای کارکرد تجهیزات؛ ۳. راحتی نفوذ به سنگ‌ها صرف‌نظر از میزان سختگی آن‌ها؛ ۴. احتمال جایگزین‌کردن نیاز به قالب‌گیری و استحکام‌بخشی چاه با درزگیری طولی طبیعی و بادوام.
شاید مهم‌ترین مزیت حفاری لیزری گزینه آخر باشد. در روش تابش مستقیم، انرژی دمای سنگ چنان زیاد می‌شود که باعث ذوب آن در امتداد شفت چاه می‌شود. با پیش روی حفاری و ذوب‌شدن سنگ‌ها، لایه‌ای شیشه‌ای در دیواره شفت چاه ایجاد می‌شود که میتواند با درزگیری آن، از ورود مایعات و گازها و دیگر عوامل آلوده‌کننده به داخل مسیر حفاری جلوگیری کند؛ همان مشکلی که پیش‌ازاین یکی از دلایل اصلی شکست پروژه‌های ابرحفاری پیشین گزارش شده بود.
کنث اوگلزبی در گزارشش یادآور شده است که فناوری لیزری امروزی به‌اندازه کافی پیشرفته نیست. او درادامه گزارش خود این‌طور توضیح می‌دهد:
بیشترین عمق سوراخی که با حفاری لیزری به‌دست آمده، تنها ۳۰ سانتی‌متر است. عملکرد ضعیف لیزرها درزمینه حفاری ریشه در فیزیک محض و دلایل تکنولوژیک دارد. مشکل اول این است که جریان استخراج ذرات سنگی با طول‌موج‌های کوتاه پرتوهای انرژی سازگاری ندارد. پرتوهای با طول‌موج کوتاه قبل از رسیدن به سطح سنگی مدنظر به‌وسیله غبار ذرات سنگی پراکنده یا جذب می‌شوند. مشکل دوم در استفاده از فناوری لیزر کمبود قدرت، کارآمدی و هزینه زیاد تولید پرتوهای لیزر است.
ژیروترون؛ پرتوهای انرژی با طول‌موج میلی‌متری
به‌نظر می‌رسد راه‌حل مشکلات صنعت حفاری را باید در فناوری همجوشی هسته‌ای جست‌وجو کرد. دانشمندان حوزه انرژی هسته‌ای از نوع همجوشی برای شبیه‌سازی برخورد اتم‌ها به یکدیگر، یعنی اتفاقی که در قلب ستاره منظومه شمسی روی می‌دهد و به‌تبع آن دستیابی به یکی از انواع انرژی هسته‌ای ایمن و پاک، باید میزان باورنکردنی گرما تولید کنند. برای مثال دانشمندان در پروژه رآکتور تحقیقاتی بین‌المللی گرما‌هسته‌ای، به‌اختصار ایتر، دستیابی به دمای پایدار در حدود ۱۵۰ میلیون درجه سلسیوس را هدف قرار داده‌اند.
در سراسر جهان دولت‌ها برای پیشبرد فناوری همجوشی هسته‌ای میلیاردها دلار بودجه در نظر گرفته‌اند. همین امر باعث شده است بسیاری از زمینه‌های مرتبط با فناوری همجوشی هسته‌ای نیز از این بودجه‌های دست‌ودل‌بازانه اندک نصیبی ببرند؛ فناوری‌هایی که درغیر‌این‌صورت چندان در کانون توجه قرار نمی‌گرفتند.
ایده‌ای جذاب برای ترکیب همجوشی هسته‌ای
ژیروترون یک‌مگاواتی به‌کاررفته در آلمان
