Уникальная исследовательская площадка Sanford Underground Research Facility (SURF), расположенная на глубине 8000 футов (около 2438 метров), стала центром для экспериментов, открывающих новые пути использования тепла, скрытого в недрах Земли.
За последнее десятилетие SURF приняла ряд геотермальных инициатив, последней из которых является Центр по изучению подземных сигналов и проницаемости (CUSSP). Этот междисциплинарный проект, возглавляемый Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией и финансируемый Министерством энергетики США, способен коренным образом изменить производство электроэнергии, позволив строить геотермальные электростанции практически в любой точке планеты.
Поскольку цифровая эпоха увеличивает спрос на энергию, новые усовершенствованные геотермальные системы (EGS) обладают потенциалом для удовлетворения растущих потребностей страны в электроэнергии. В самом простом понимании технология EGS предполагает закачку холодной воды в глубокие скважины, где она нагревается Землей и возвращается на поверхность в виде горячей воды или пара, вращающего турбину для выработки электричества.
Усовершенствованная геотермальная технология представляет собой следующий рубеж в развертывании энергетики, способный обеспечить энергией более 65 миллионов американских домов и предприятий. Технологический сектор лидирует в разработке EGS. В конце 2023 года технологический гигант Google в партнерстве с геотермальным стартапом Fervo Energy объявил о завершении строительства первой в стране электростанции на основе усовершенствованной геотермальной энергии.
Как и любая зарождающаяся технология, EGS требует исследований для улучшения и раскрытия ее потенциала. Существуют проблемы, которые необходимо преодолеть; например, подземные трещины, через которые тепло передается жидкости, могут засоряться. Со временем вода, закачиваемая в глубокие подземные трещины, может оставлять после себя минералы, замедляющие или останавливающие поток, подобно тому, как водопроводные трубы в старом доме могут минерализоваться и забиваться.
Директор CUSSP Кевин Россо говорит, что большой неизвестностью является то, как долго прослужат эти резервуары. Он отмечает, что в настоящее время по всему миру наблюдаются успешные пилотные проекты EGS, доказывающие работоспособность этой технологии, но неизвестно, будут ли эти подземные резервуары продолжать эффективно вырабатывать тепло с той же скоростью на протяжении десятилетий.
Россо, являющийся научным сотрудником Battelle и заместителем директора отдела физических наук по геохимии в PNNL, заявляет, что CUSSP стремится обеспечить рентабельность электростанций EGS. Он говорит, что вопрос экономической целесообразности этих установок пока остается неизученной территорией, и именно здесь CUSSP находится на переднем крае, работая над ответами на эти вопросы.
При работе над предотвращением засорения усовершенствованных геотермальных систем с течением времени необходимо учитывать множество переменных. Химический состав воды, типы горных пород, тепло, давление и скорость потока через подземные трещины — вот некоторые из факторов, которые могут варьироваться и изменяться. Геотермальный испытательный стенд, расположенный на уровне 4100 футов (около 1250 метров) в SURF, является местом, где многие из этих переменных можно контролировать и изучать. Россо подчеркивает, что одна из захватывающих особенностей этого места заключается в возможности контролировать температуру и химический состав воды, а также в знании типов пород, чего раньше никогда не удавалось сделать.
Еще одной проблемой являются химические реакции, приводящие к минерализации и закупорке трещин глубоко внутри геотермальных систем, которые обычно происходят на глубине нескольких миль под землей, где их невозможно увидеть. Здесь на помощь приходит дистанционное зондирование. В SURF ученые могут использовать широкий спектр сенсорного оборудования на испытательном стенде, от приборов для измерения температуры и химического состава воды и горных пород до сейсмометров и датчиков электрического сопротивления, — все это помогает исследователям лучше понять, что происходит под землей. Россо сообщает, что множество геофизических датчиков собирают терабайты данных в режиме реального времени во время этих экспериментов с потоками. Он добавляет, что эксперимент позволяет узнать, как выглядят сигналы, соответствующие определенным наблюдаемым процессам.
Эта способность «искать сигналы в шуме» и сопоставлять их с тем, что происходит под землей в SURF, позволяет ученым CUSSP глубже понять сложные процессы, управляющие геотермальными системами, и создавать более совершенные модели, которые можно будет использовать на различных объектах по добыче геотермальной энергии.
Сложность этих проблем требует больших команд с разнообразными навыками. CUSSP объединяет 40 исследователей, которым помогают многочисленные студенты бакалавриата, магистратуры и аспирантуры, а также постдокторанты. Это означает, что геохимики и геофизики работают бок о бок с инженерами-механиками и специалистами по вычислительной технике, стремясь к достижению общих целей. Россо говорит, что действительно захватывающе наблюдать, как представители различных дисциплин объединяются, концентрируясь на решении очень конкретной проблемы. Он отмечает, что сочетание ведущих исследователей, постдокторантов и студентов, которые находят эту работу приносящей удовлетворение, также обеспечит тех, кто будет продвигать область геотермальной энергии в ближайшие десятилетия. Россо заявляет, что CUSSP является своего рода двигателем для следующего поколения лидеров, которые будут определять развитие усовершенствованных геотермальных систем. Он выражает особое волнение, наблюдая за студентами, работающими над этим проектом, многие из которых построят здесь свою карьеру, а страна получит кадровый резерв экспертов, которые помогут продвигать геотермальную энергию вперед.
Работа в SURF также дополняет инвестиции в другие геотермальные объекты Министерства энергетики США, такие как Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE) в Юте. SURF является одной из 16 глубоких подземных лабораторий по всему миру. Другие лаборатории в таких странах, как Китай, Канада, Россия, Италия и Великобритания, также конкурируют за аналогичные достижения в области подземных наук.
