La tecnología Fusion está configurada para desbloquearse cerca

Todo el mundo sabe que el núcleo de la Tierra está caliente, pero tal vez su escala aún tenga el poder de sorprender. Se estima que las temperaturas en el centro de hierro del núcleo rondan los 5200 °C (9392 °F), generadas por el calor de los elementos radiactivos que se descomponen y se combinan con el calor que aún permanece de la formación misma del planeta: un evento de violencia cataclísmica cuando un una nube arremolinada de gas y polvo fue aplastada en una bola por su propia gravedad.

Donde hay acceso al calor, hay energía geotérmica aprovechable. Y hay tanto calor debajo de la superficie de la Tierra, según Paul Woskov, ingeniero senior de investigación de fusión en el MIT, que aprovechar solo el 0,1 por ciento podría satisfacer las necesidades energéticas de todo el mundo durante más de 20 millones de años.

El problema es el acceso. Donde las fuentes de calor subterráneas ocurren naturalmente cerca de la superficie, fácilmente accesibles y lo suficientemente cerca de una red eléctrica relevante para una transmisión económicamente viable, la geotermia se convierte en un raro ejemplo de generación de energía verde totalmente confiable las 24 horas del día. El sol deja de brillar, el viento deja de soplar, pero la roca siempre está caliente. Por supuesto, estas condiciones son bastante raras y, como resultado, la energía geotérmica actualmente suministra solo alrededor del 0,3 por ciento del consumo mundial de energía.

Si pudiéramos perforar lo suficientemente profundo, podríamos colocar estaciones de energía geotérmica en cualquier lugar que quisiéramos. Pero eso es más difícil de lo que parece. La corteza terrestre varía en grosor entre aproximadamente 5 y 75 km (3 y 47 millas), y las partes más delgadas tienden a estar en las profundidades del océano.

El agujero más profundo que la humanidad ha logrado perforar es el Kola Superdeep Borehole. Este proyecto ruso cerca de la frontera noruega se puso en marcha en 1970, con el objetivo de perforar la corteza hasta el manto, y uno de sus pozos alcanzó una profundidad vertical de 12 289 m (40 318 pies) en 1989, antes de que el equipo decidiera que era inviable. para ir más profundo, y se quedó sin dinero.

A esa profundidad, los miembros del equipo de Kola esperaban que la temperatura rondara los 100 °C (212 °F), pero en realidad descubrieron que estaba más cerca de los 180 °C (356 °F). La roca era menos densa y más porosa de lo esperado, y estos factores se combinaron con el calor elevado para crear condiciones de perforación de pesadilla. El sitio de Kola se ha deteriorado por completo, y esta "entrada al infierno", un pináculo (o quizás el punto más bajo) de los logros humanos, ahora es un agujero anónimo, cerrado con autógena.

Alemania gastó el equivalente a más de un cuarto de billón de euros en su propia versión a finales de los años 80, pero el programa de perforación profunda continental alemán, o pozo KTB, solo llegó a 9101 metros (29 859 pies) antes de terminar. Una vez más, la temperatura aumentó mucho antes de lo esperado, y el equipo de KTB también se sorprendió al descubrir que la roca a esta profundidad no era sólida y que grandes cantidades de líquido y gas entraban en el pozo para complicar aún más el esfuerzo.

Estas temperaturas eran lo suficientemente altas como para frustrar el proceso de perforación, pero no lo suficientemente altas como para hacer un buen negocio de energía geotérmica. Entonces, si bien estos proyectos y otros han sido recursos científicos invaluables, se necesitan nuevas tecnologías para desbloquear el potencial geotérmico bajo nuestros pies.

Cuando las condiciones se vuelven demasiado difíciles para que operen las brocas físicas, los investigadores han estado probando las capacidades de los rayos de energía dirigidos para calentar, derretir, fracturar e incluso vaporizar la roca del sótano en un proceso llamado espalación, incluso antes de que la cabeza del taladro la toque. Puede ver el efecto de la espalación en la roca dura en el siguiente GIF del robot perforador "Swifty" de Petra, aunque Petra no revela qué se usa exactamente para crear ese calor.

Los experimentos militares a finales de los 90 mostraron resultados prometedores que indicaban que la perforación asistida por láser podía atravesar rocas de 10 a 100 veces más rápido que la perforación convencional, y puede apostar que esto fue de gran interés para las compañías de petróleo y gas.

Un proceso de perforación de energía directa, escribió el presidente de Impact Technologies, Kenneth Oglesby, en un informe del MIT de 2014 para el Programa de Tecnologías Geotérmicas del DOE de EE. UU., ofrecería grandes ventajas: "1) no hay sistemas mecánicos en el pozo que puedan desgastarse o romperse, 2) sin límite de temperatura, 3) igual facilidad para penetrar cualquier dureza de roca, y 4) potencial para reemplazar la necesidad de revestimiento/cementación por un revestimiento vitrificado duradero".

Ese último punto es interesante: un taladro de energía directa cauterizaría efectivamente la roca que corta, derritiendo el pozo de perforación a medida que avanza y vitrificándolo en una capa vítrea que sellaría fluidos, gases y otros contaminantes que han causado problemas en el pasado. Proyectos de perforación ultraprofunda.

Pero los láseres, escribió Oglesby, no cortan la mostaza. "La penetración en roca más profunda lograda hasta la fecha con láser ha sido de solo 30 cm (11,8 pulgadas). Hay razones físicas y tecnológicas fundamentales para la falta de progreso de la perforación con láser. Primero, el flujo de partículas de extracción de roca es incompatible con la energía de longitud de onda corta que es dispersa y absorbida [por el polvo y las nubes de partículas] antes de entrar en contacto con la superficie rocosa deseada. En segundo lugar, la tecnología láser es deficiente en energía, eficiencia y es demasiado costosa".

La solución, al parecer, podría provenir del mundo de la fusión nuclear. Para replicar las condiciones que hacen que los átomos se junten en el corazón del Sol y, por lo tanto, liberar la forma más segura y limpia de energía nuclear, los investigadores de fusión necesitan generar cantidades asombrosas de calor. Estamos hablando del rango de 150 millones de grados sostenidos, en el caso del proyecto ITER. La investigación de fusión ha sido beneficiaria de miles de millones de dólares en fondos gubernamentales internacionales y, por lo tanto, ha acelerado el progreso y la comercialización en otras áreas que de otro modo no habrían tenido presupuesto.

Un ejemplo es el girotrón, un equipo desarrollado originalmente en la Rusia soviética a mediados de la década de 1960. Los girotrones generan ondas electromagnéticas en la parte del espectro de ondas milimétricas, con longitudes de onda más cortas que las microondas, pero más largas que la luz visible o infrarroja. A principios de la década de 1970, los investigadores que trabajaban en diseños de tokamak para reactores de fusión descubrieron que estas ondas milimétricas eran una excelente manera de calentar sustancialmente el plasma y, en los últimos 50 años, el desarrollo de girotrones ha logrado un progreso impresionante gracias a la investigación de fusión y la financiación del DOE.

De hecho, los girotrones capaces de generar haces de energía continuos de más de un megavatio de potencia ahora están disponibles, y esa es una noticia sorprendente para los perforadores profundos. "La base científica, la viabilidad técnica y el potencial económico de la perforación de rocas con ondas milimétricas de energía dirigida a frecuencias de 30 a 300 GHz son sólidas", escribió Ogilvy. "Evita la dispersión de Rayleigh y puede acoplar/transferir energía a una superficie rocosa 1012X más eficientemente que las fuentes láser en presencia de una pequeña columna de extracción de partículas. Las ondas milimétricas de megavatios continuos también pueden guiarse de manera eficiente (> 90 por ciento) a grandes distancias (>10 km) usando una variedad de modos y sistemas de guía de ondas (tuberías), incluyendo el potencial de usar tubos enrollados de diámetro interior liso y articulados/unidos".

"Los cálculos termodinámicos", continuó, "sugieren que es posible una tasa de penetración de 70 metros/hora (230 pies/hora) en perforaciones de 5 cm (1,97 pulgadas) con un girotrón de 1 MW que se acopla a la roca con una eficiencia del 100 por ciento. El uso de fuentes de menor o mayor potencia (por ejemplo, de 100 kW a 2 MW) permitiría cambios en el tamaño del orificio y/o la tasa de penetración".

Eso sería un gran impulso para los proyectos tradicionales de perforación de petróleo y gas, pero, a menos que haya demasiadas sorpresas adicionales, también debería cambiar significativamente la ecuación para la perforación ultra profunda, haciendo posible y rentable profundizar lo suficiente en la corteza para desbloquear algunos del inmenso potencial de energía geotérmica de la Tierra.

En 2018, el Plasma Science and Fusion Center del MIT creó un negocio llamado Quaise, centrado específicamente en la geotermia ultra profunda utilizando sistemas híbridos que combinan la perforación rotatoria tradicional con la tecnología de ondas milimétricas impulsada por girotrones, mientras bombea argón como gas de purga para limpiar y enfríe la perforación mientras dispara partículas de roca hacia la superficie y fuera del camino.

La empresa ha recaudado unos 63 millones de dólares hasta la fecha, que comprenden 18 millones de dólares en financiación inicial, 5 millones de dólares en subvenciones y 40 millones de dólares en una ronda de financiación de Serie A cerrada a principios de este mes.

Quaise planea perforar pozos de hasta 20 km (12,4 millas) de profundidad, significativamente más profundos que el pozo de perforación Kola Superdeep, pero donde el equipo de Kola tardó casi 20 años en llegar a su límite, Quaise espera que su proceso mejorado con girotrones tome solo 100 días. Y eso suponiendo un girotrón de 1 MW.

A estas profundidades, Quaise espera encontrar temperaturas de alrededor de 500 °C (932 °F), que está mucho más allá del punto en el que la energía geotérmica da un gran salto en eficiencia.

"El agua es un fluido supercrítico a presiones superiores a 22 MPa y temperaturas superiores a 374 °C (705 °F)", dijo Quaise. "Una planta de energía que usa agua supercrítica como fluido de trabajo puede extraer hasta 10 veces más energía útil de cada gota en comparación con las plantas no supercríticas. Apuntar a condiciones supercríticas es clave para lograr densidades de energía consistentes con los combustibles fósiles".

Quaise está trabajando en máquinas de demostración desplegables en campo a gran escala, que, según dice, comenzarán a operar en 2024. Planea tener su primer "sistema geotérmico mejorado supercaliente" con una capacidad nominal de 100 megavatios en operación para 2026.

El próximo paso es el genio comercial: Quaise planea aprovechar la infraestructura existente, como las centrales eléctricas de carbón, que eventualmente serán suspendidas a medida que las restricciones de emisiones sean cada vez más estrictas. Estas instalaciones ya cuentan con enormes capacidades para convertir vapor en electricidad, así como operadores comerciales establecidos y mano de obra experimentada, y vienen convenientemente preconectadas a la red eléctrica. Quaise simplemente reemplazará sus actuales fuentes de calor de combustibles fósiles con suficiente energía geotérmica supercrítica para mantener las turbinas girando indefinidamente sin necesidad de otro trozo de carbón o bocanada de metano.

Quaise espera reactivar su primera planta alimentada con combustibles fósiles en 2028 y luego refinar y replicar el proceso en todo el mundo, ya que el calor debería estar disponible absolutamente en cualquier parte de la Tierra con esta tecnología de perforación. Hay más de 8500 centrales eléctricas de carbón en todo el mundo, con un total de más de 2000 gigavatios de capacidad, y todas tendrán que encontrar algo más que hacer para 2050, por lo que la oportunidad es claramente gigantesca.

"Necesitamos una gran cantidad de energía libre de carbono en las próximas décadas", dijo Mark Cupta, director general de Prelude Ventures, uno de los inversores clave de la Serie A de la empresa. "Quaise Energy ofrece una de las soluciones más eficientes en recursos y casi infinitamente escalables para alimentar nuestro planeta. Es el complemento perfecto para nuestras soluciones renovables actuales, lo que nos permite alcanzar energía sostenible de carga base en un futuro no muy lejano".

No necesitamos decirles a los lectores de New Atlas cuán masivo podría ser este cambio para la energía limpia de referencia y el proceso de descarbonización. De hecho, si esta tecnología funciona como se espera (y la corteza no encuentra nuevas formas de luchar contra nuestras intrusiones), y la economía se acumula, este nuevo uso para los girotrones podría, irónicamente, dejar sin trabajo a los reactores de fusión.

Es importante destacar que casi no ocupará espacio en la superficie, en contraste con la energía solar y eólica a escala industrial. También precipitará un cambio geopolítico global, ya que cada país tendrá el mismo acceso a su propia fuente de energía virtualmente inagotable, y seguramente será agradable cuando los países grandes no tengan que "liberar" a las poblaciones de los más pequeños para obtener acceso. a los recursos energéticos.

Echa un vistazo a un breve vídeo a continuación.

Fuente: Quaise Energy