Tretusen meter ner i marken blir arbetet för krävande för den traditionella borrutrustningen. Efter att i flera veckor ha tuggat sig igenom lera, sand och grus har den nu nått ner till berggrund av granit.
Ingenjörerna har dock en lösning. De drar upp borrhuvudet och ersätter det med ett underligt rör med vad som ser ut som en liten parabol längst ut.
Några sekunder senare börjar parabolen avge enormt stark elektromagnetisk strålning. Strålningen får berget längst ner i borrhålet att förångas. Det upphör helt enkelt att existera – och snabbt går det!
Medan det skulle ta månader att borra nästa kilometer med vanlig utrustning klarar parabolen av det på en vecka och lämnar dessutom efter sig ett slätt, lodrätt schakt med en diameter på två decimeter.
Bakom denna banbrytande borrteknik står det amerikanska bolaget Quaise. Än så länge existerar den bara på ritbordet, men utsikterna med tekniken är enastående, så investerarna står på kö.
Forskarna vill bränna sig 20 000 meter ner på 100 dagar.
Bolagets beräkningar visar att det går att nå 20 000 meter ner i marken på bara 100 dagar. Om det stämmer står planeten inför en energirevolution som kan göra den gröna omställningen till en barnlek.
Island har visat vägen
Quaises mål är att utvinna den enorma värmereserv som planeten gömmer i sitt inre. Geologernas modeller visar att det överallt i världen är 400–500 grader varmt på 20 000 meters djup.
Värmen kommer från jordens bildning och från det pågående sönderfallet av radioaktiva grundämnen i marken, huvudsakligen uran, torium och kalium.
Om vi får tillgång till geotermisk energi kan vi utnyttja den för att producera el på samma sätt som det i dag bara går att göra på ett fåtal platser i världen. En av dessa är Island, där 25 procent av elen kommer från energi som utvunnits ur marken.
Vulkanisk aktivitet gör jordskorpan under Island så tunn att kraftverk enkelt kan utnyttja jordens inre värme.
Jämte bland annat Japan och Nya Zeeland är Island ett av planetens energimässigt lyckosamma länder. Önationen ligger precis ovanför den så kallade Atlantiska centralryggen, där ny havsbotten ständigt bildas genom vulkanisk aktivitet.
Det gör att jordskorpan är extremt tunn, så att borrningarna inte behöver göra mycket mer än att skrapa på ytan innan temperaturen kan utnyttjas, till såväl uppvärmning som elproduktion.
Varmt vatten till uppvärmning behöver bara överstiga 50 grader Celsius, medan elproduktion fungerar först när temperaturen är minst 150 grader Celsius, men gärna betydligt högre.
I större delen av världen har geotermi till elproduktion därför bara en framtid om det blir enkelt och billigt att utvinna energin långt ner i jordskorpan.
I dag är områdena där vi kan producera el med geotermisk energi (röda) begränsade. Men om vi kan borra 20 000 meter ner i marken kommer det att vara möjligt överallt i världen.
Det är det problemet Quaise vill lösa med sin nya borrteknik.
”År 2022 går vi från testborrningar på en meter ner till tio meter. Sedan inleder vi nästa fas. Vi satsar på att vara färdiga med tekniken år 2024, så att vi kan börja borra riktigt djupt”, säger Carlos Araque, vd och medgrundare av Quaise, till Illustrerad Vetenskap.
I stället för att borra med ett traditionellt borrhuvud ska Quaises forskare bokstavligt talat bränna sig ner i berggrunden. Då behövs en mikrovågsgenerator, en så kallad gyrotron.
Tekniken finns redan
En gyrotron producerar energirika elektromagnetiska vågor i millimeterlängd med en frekvens på mellan 30 och 300 gigahertz. Som tur är finns tekniken redan, även i den skala som Quaise behöver.
Det är nämligen gyrotroner energiforskare använder i försök med fusionsenergi. Då används mikrovågorna för att värma fusionsbränsle till över 100 miljoner grader Celsius.
Gyrotroner används i fusionsreaktorer för att värma bränslet, som här i den stora europeiska försöksanläggningen Iter.
Fullt så höga temperaturer behöver Quaise inte. Tretusen grader Celsius räcker för att förånga berget i borrhålets botten. Utmaningen är i stället att få ner de energirika mikrovågorna så djupt i marken.
Transporten ska ske genom en så kallad vågledare, ett metallrör med en insida som reflekterar mikrovågorna förlustfritt. Längst ner i hålet avger vågledaren mikrovågorna, som bränner berget till ett fint, askliknande pulver.
Askan avlägsnas på ett elegant vis genom att ädelgasen argon pumpas ner i hålet. Där blandas askan med gasen, så att det pulvriserade berget lyfts upp ur hålet när gasen stiger.
Berget förångas av mikrovågor
Bolaget Quaise ska använda en helt ny teknik för att borra djupt ner i berggrunden. Mikrovågor från en så kallad gyrotron ska bränna berget till aska, som sedan tas upp med hjälp av gas.
1. Gyrotron avger mikrovågor
Efter det att en vanlig borr nått ner genom jordlagret tar gyrotronen över. Den skapar extremt energirika mikrovågor, som leds genom borrhålet med en så kallad vågledare.
2. Mikrovågor bränner bort berg
Längst ner i hålet ger mikrovågorna upphov till en temperatur på 3 000 grader Celsius, vilket förångar berget på ett avstånd av upp till 15 centimeter. Längre bort smälter berget, men när det stelnar igen stabiliseras borrhålet.
3. Gas för upp krossat berg
Det förångade berget kristalliseras snabbt till ett fint stenpulver som påminner om vulkanisk aska. Pulvret avlägsnas genom att argongas pumpas ner i hålet. När gasen stiger för den med sig askan.
Fördelen med Quaises koncept är att det inte finns någon utrustning långt ner i borrhålet som blir sliten och behöver bytas ut.
Dessutom förseglas väggarna i borrhålet automatiskt med ett hållbart skikt av smält berg, som stelnar till glas. Ett normalt borrhål behöver stabiliseras med ett metallrör som förs ner efter borrningen, vilket är både dyrt och tidskrävande.
En lösning på två stora problem
På så vis löser Quaise de två stora utmaningarna med att borra djupt, dels förseglingen av borrhålet, dels att få upp det utborrade materialet till ytan.
Dessa båda problem gör att omkostnaderna vid traditionell mekanisk borrning ökar exponentiellt med djupet, borrtiden för varje extra kilometer likaså.
Av samma anledning har man aldrig lyckats borra så djupt som Quaise planerar att göra. Planetens hittills djupaste hål är drygt 12 000 meter, ett rekord som sattes på Kolahalvön år 1989 av forskare från dåvarande Sovjetunionen.
Jordens djupaste hål borrades på Kolahalvön mellan åren 1970 och 1989. Det tog med andra ord 19 år att nå drygt 12 000 meter ner. Med sin nya teknik ska Quaise nästan fördubbla rekordet.
De tekniska begränsningarna med traditionell borrning är den främsta orsaken till att geotermi i dag bara står för en procent av världens totala energiförbrukning, som närmar sig 20 terawatt. En terawatt är 1012 watt, det vill säga en etta följd av tolv nollor.
”Vårt mål med djup geotermisk energi är att producera baslastenergi i terawattskala”, säger Carlos Araque.
Just termen baslast är central för den gröna omställningen. Baslast är nämligen beteckningen för en energikälla som vi kan anpassa efter våra egna behov.
I dag kommer mycket baslastenergi från kraftverk som förbränner fossila bränslen. Även vattenkraft ger baslastenergi, så länge det finns tillräckliga vattenreserver, men sol- och vindkraft är det inte. Där varierar ju produktionen med tidpunkten på dygnet och vädret.
Om geotermi kan ge oss stora mängder baslastenergi kommer det att vara en avgörande bit i pusslet med de hållbara energikällor som ska göra oss oberoende av fossila bränslen.
Fyra gröna källor kan täcka vår elförbrukning
Vi kan mycket väl täcka hela planetens elförbrukning med hållbara energikällor från vind, sol, vatten och mark, bara vi ser till att kombinera produktionen på ett klokt sätt. Läs om hur det ska gå till här.
Quaises experiment kan förändra vår energiförsörjning i grunden. Allt står och faller med gyrotronborrningarna.
Bolagets preliminära försök visar att grundtanken med att förånga berget med en gyrotron fungerar i laboratoriemiljö, men om tekniken även fungerar i full skala och med en tusentals meter lång vågledare återstår att se.
De djupa borrningarna ska göras med mikrovågor från en så kallad gyrotron. Tekniken har testats i laboratoriemiljö, där forskarna har bränt ett fem centimeter brett hål i en sten (till höger).
Kraftverk ska återanvändas
Om uppdraget lyckas och det går att borra var som helst till en bråkdel av den nuvarande kostnaden kan energibolag på kort tid komma att ersätta kolet och oljan i sina kraftverk med grön energi från marken.
Det enda som krävs är två djupa borrhål nära kraftverket. Sedan kan de fortsätta producera el, fast utan utsläpp av koldioxid.
För att få bästa resultat måste vatten pumpas ner där berget är 400–500 grader varmt. Då får värmen och det höga trycket vattnet att övergå till ett fjärde aggregationstillstånd, som skiljer sig från de tre vi känner till här på jordytan: gas, vätska och fast form.
I stället blir vattnet det som fysikerna med ett dramatisk ord kallar för superkritiskt. I detta aggregationstillstånd innehåller vattnet tio gånger mer energi än normalt. Det gör det särskilt lämpat för energiproduktion, eftersom den så kallade energitätheten kan konkurrera med den i fossila bränslen.
Tekniken och naturen är redo
Den teknik som krävs för att utnyttja geotermisk energi finns redan. Vi kan till och med återanvända kraftverk som tidigare eldats med kol och gas, och marken är redo att leverera den värme och det tryck som ger bäst resultat.
1. Kallt vatten bryter sönder berget
Pumpar trycksätter det kalla vattnet, som leds ner i det första borrhålet. När vattnet strömmar ut på 20 000 meters djup uppstår sprickor i det torra berget, som är 400–500 grader varmt.
2. Vattnet fylls med energi
Efter hand som mer vatten pumpas ner bildas reservoarer, som utsätts för både hög värme och högt tryck. Vattnet blir då superkritiskt, vilket gör att det kan innehålla tio gånger så mycket energi som normalt.
3. Glödhet ånga driver gamla turbiner
Det superkritiska vattnet pumpas upp. När det når ytan, där trycket är lägre, övergår det till skållhet ånga, som används vid elproduktion med exempelvis turbiner och generatorer från gamla kolkraftverk.
Tanken att göra om existerande kraftverk till geotermiska kraftverk är en viktig del av Quaises affärsmodell.
”Den gröna omställningen kan inte börja med att vi gör oss av med allt vi har och bygger nytt. Det är inte hållbart”, menar Carlos Araque.
”Kraftverken representerar årtionden, om inte århundraden, av mänskligt arbete. Med en enkel förändring kan vi få stopp på deras koldioxidutsläpp.”
Om de kommande årens försök faller väl ut förutser Carlos Araque att Quaise kommer att förse det första fossila kraftverket med djup geotermisk energi före år 2030.
