Die Fusionstechnologie wird bald freigeschaltet

Jeder weiß, dass der Erdkern heiß ist, aber vielleicht überrascht sein Ausmaß dennoch. Die Temperaturen im Eisenzentrum des Kerns werden auf etwa 5.200 °C (9.392 °F) geschätzt, erzeugt durch die Hitze zerfallender radioaktiver Elemente in Kombination mit der Hitze, die noch von der Entstehung des Planeten selbst übrig geblieben ist – ein Ereignis katastrophaler Gewalt, wenn a Die wirbelnde Wolke aus Gas und Staub wurde durch ihre eigene Schwerkraft zu einer Kugel zerquetscht.

Wo es Zugang zu Wärme gibt, gibt es auch nutzbare geothermische Energie. Und laut Paul Woskov, einem leitenden Fusionsforschungsingenieur am MIT, gibt es unter der Erdoberfläche so viel Wärme, dass die Nutzung von nur 0,1 Prozent davon den gesamten Energiebedarf der Welt für mehr als 20 Millionen Jahre decken könnte.

Das Problem ist der Zugang. Wo unterirdische Wärmequellen auf natürliche Weise nahe der Oberfläche vorkommen, leicht zugänglich und nahe genug an einem relevanten Stromnetz für eine wirtschaftlich sinnvolle Übertragung liegen, wird Geothermie zu einem seltenen Beispiel für absolut zuverlässige, rund um die Uhr verfügbare grüne Stromerzeugung. Die Sonne hört auf zu scheinen, der Wind hört auf zu wehen, aber der Felsen ist immer heiß. Natürlich sind diese Bedingungen eher selten, und daher deckt die Geothermie derzeit nur etwa 0,3 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs.

Wenn wir tief genug bohren könnten, könnten wir Geothermiekraftwerke fast überall dort errichten, wo wir sie haben wollten. Aber das ist schwieriger als es klingt. Die Dicke der Erdkruste variiert zwischen etwa 5 und 75 km (3 und 47 Meilen), wobei die dünnsten Teile weit draußen in der Tiefsee liegen.

Das tiefste Loch, das die Menschheit jemals bohren konnte, ist das Kola Superdeep Borehole. Dieses russische Projekt nahe der norwegischen Grenze wurde 1970 mit dem Ziel ins Leben gerufen, die Erdkruste bis zum Erdmantel zu durchbohren. Eines seiner Bohrlöcher erreichte 1989 eine vertikale Tiefe von 12.289 m (40.318 Fuß), bevor das Team entschied, dass es nicht durchführbar sei noch tiefer zu gehen und hatte kein Geld mehr.

In dieser Tiefe erwarteten die Kola-Teammitglieder eine Temperatur von etwa 100 °C (212 °F), tatsächlich stellten sie jedoch fest, dass sie eher bei 180 °C (356 °F) lag. Das Gestein war weniger dicht und poröser als erwartet, und diese Faktoren führten zusammen mit der erhöhten Hitze zu albtraumhaften Bohrbedingungen. Die Kola-Stätte ist völlig verfallen, und dieser „Eingang zur Hölle“, ein Höhepunkt (oder vielleicht Tiefpunkt) menschlicher Errungenschaften, ist jetzt ein anonymes, zugeschweißtes Loch.

Deutschland gab Ende der 1980er Jahre umgerechnet mehr als eine Viertelmilliarde Euro für seine eigene Version aus, doch das deutsche Kontinentaltiefbohrprogramm (KTB) erreichte nur eine Tiefe von 9.101 Metern (29.859 Fuß), bevor es eingestellt wurde. Auch hier stieg die Temperatur viel früher als erwartet an, und das KTB-Team war auch überrascht, als es feststellte, dass das Gestein in dieser Tiefe nicht fest war und große Mengen an Flüssigkeit und Gas in das Bohrloch strömten, was die Bemühungen zusätzlich erschwerte.

Diese Temperaturen waren heiß genug, um den Bohrvorgang zu vereiteln, aber nicht heiß genug, um daraus ein gutes Geothermiegeschäft zu machen. Während diese und andere Projekte unschätzbare wissenschaftliche Ressourcen darstellen, sind neue Technologien erforderlich, um das geothermische Potenzial unter unseren Füßen zu erschließen.

Wo die Bedingungen für den Betrieb physischer Bohrer zu schwierig werden, haben Forscher die Fähigkeit gerichteter Energiestrahlen getestet, Grundgestein in einem Prozess namens Spallation zu erhitzen, zu schmelzen, zu brechen und sogar zu verdampfen, bevor der Bohrkopf es überhaupt berührt. Sie können den Effekt der Spallation auf zähem Gestein im folgenden GIF von Petras „Swifty“-Bohrroboter sehen, obwohl Petra nicht verrät, was genau zur Erzeugung dieser Hitze verwendet wird.

Militärexperimente in den späten 90er Jahren zeigten vielversprechende Ergebnisse, die darauf hindeuteten, dass lasergestützte Bohrungen 10 bis 100 Mal schneller durch Gestein vordringen könnten als herkömmliche Bohrungen, und Sie können wetten, dass dies für Öl- und Gasunternehmen von großem Interesse war.

Ein Bohrprozess mit direkter Energie, schrieb Kenneth Oglesby, Präsident von Impact Technologies, in einem MIT-Bericht aus dem Jahr 2014 für das Geothermal Technologies Program des US-Energieministeriums, würde einige enorme Vorteile bieten: „1) keine mechanischen Systeme im Bohrloch, die verschleißen oder kaputt gehen könnten, 2) keine Temperaturbegrenzung, 3) gleiche Leichtigkeit beim Eindringen in jede Gesteinshärte und 4) Möglichkeit, die Notwendigkeit einer Ummantelung/Zementierung durch eine haltbare verglaste Auskleidung zu ersetzen.“

Der letzte Punkt ist interessant – ein Direktenergiebohrer würde das Gestein, das er durchbohrt, effektiv kauterisieren, dabei den Bohrschacht schmelzen und ihn zu einer glasigen Schicht verglasen, die Flüssigkeiten, Gase und andere Verunreinigungen abdichtet, die in der Vergangenheit Probleme verursacht haben Ultratiefbohrprojekte.

Aber Laser, schrieb Oglesby, reichen nicht aus. „Die bisher mit Lasern erreichte tiefste Gesteinseindringung betrug nur 30 cm (11,8 Zoll). Für diesen mangelnden Fortschritt beim Laserbohren gibt es grundlegende physikalische und technologische Gründe. Erstens ist der Partikelfluss bei der Gesteinsgewinnung nicht mit kurzwelliger Energie vereinbar zerstreut und absorbiert [von Staub- und Partikelwolken], bevor sie die gewünschte Gesteinsoberfläche berühren. Zweitens mangelt es der Lasertechnologie an Energie und Effizienz und sie ist zu teuer.“

Die Lösung, so scheint es, könnte in der Welt der Kernfusion liegen. Um die Bedingungen zu reproduzieren, unter denen Atome im Herzen der Sonne zusammenschlagen und so die sicherste und sauberste Form der Kernenergie freisetzen, müssen Fusionsforscher erstaunliche Mengen an Wärme erzeugen. Im Fall des ITER-Projekts sprechen wir von einer dauerhaften Temperatur von 150 Millionen Grad. Die Fusionsforschung profitierte von internationalen Regierungsmitteln in Milliardenhöhe und beschleunigte so den Fortschritt und die Kommerzialisierung in anderen Bereichen, die sonst möglicherweise kein Budget gehabt hätten.

Ein Beispiel ist das Gyrotron, ein Gerät, das ursprünglich Mitte der 1960er Jahre in Sowjetrussland entwickelt wurde. Gyrotrons erzeugen elektromagnetische Wellen im Millimeterwellenbereich des Spektrums, mit Wellenlängen, die kürzer als Mikrowellen, aber länger als sichtbares oder infrarotes Licht sind. In den frühen 1970er Jahren entdeckten Forscher, die an Tokamak-Designs für Fusionsreaktoren arbeiteten, dass diese Millimeterwellen eine hervorragende Möglichkeit waren, Plasma deutlich aufzuheizen, und in den letzten 50 Jahren hat die Gyrotron-Entwicklung dank der Fusionsforschung und der Finanzierung durch das Energieministerium beeindruckende Fortschritte gemacht.

Tatsächlich sind jetzt Gyrotrons verfügbar, die in der Lage sind, kontinuierliche Energiestrahlen mit einer Leistung von über einem Megawatt zu erzeugen, und das sind erstaunliche Neuigkeiten für Tiefbohrer. „Die wissenschaftliche Grundlage, die technische Machbarkeit und das wirtschaftliche Potenzial des Millimeterwellen-Gesteinsbohrens mit gerichteter Energie bei Frequenzen von 30 bis 300 GHz sind stark“, schrieb Ogilvy. „Es vermeidet Rayleigh-Streuung und kann Energie 1012-mal effizienter an eine Gesteinsoberfläche koppeln/übertragen als Laserquellen in Gegenwart einer kleinen Partikelextraktionsfahne. Kontinuierliche Millimeterwellen mit Megawattleistung können auch effizient (>90 Prozent) über große Entfernungen geleitet werden.“ (>10 km) unter Verwendung verschiedener Moden und Wellenleitersysteme (Rohre), einschließlich der Möglichkeit der Verwendung von Spiralrohren mit glatter Bohrung und verbundenen/verbundenen Rohren.“

„Thermodynamische Berechnungen“, fuhr er fort, „legen nahe, dass eine Eindringgeschwindigkeit von 70 Metern/Stunde (230 Fuß/Stunde) in 5-cm-Bohrungen (1,97 Zoll) mit einem 1-MW-Gyrotron möglich ist, das mit 100-prozentiger Effizienz an das Gestein gekoppelt ist.“ Der Einsatz von Quellen mit geringerer oder höherer Leistung (z. B. 100 kW bis 2 MW) würde Änderungen in der Bohrungsgröße und/oder der Durchdringungsrate ermöglichen.“

Das wäre ein enormer Aufschwung für traditionelle Öl- und Gasbohrprojekte – aber sofern es nicht zu viele weitere Überraschungen gibt, dürfte es auch die Gleichung für Ultratiefbohrungen erheblich verändern und es möglich und profitabel machen, tief genug in die Erdkruste vorzudringen, um etwas freizusetzen des immensen geothermischen Energiepotenzials der Erde.

Im Jahr 2018 gründete das Plasma Science and Fusion Center des MIT ein Unternehmen namens Quaise, das sich speziell auf ultratiefe Geothermie mit Hybridsystemen konzentriert, die traditionelles Rotationsbohren mit gyrotronbetriebener Millimeterwellentechnologie kombinieren und gleichzeitig Argon als Spülgas zur Reinigung einpumpen und kühlen Sie das Bohrloch, während Sie Gesteinspartikel zurück an die Oberfläche und aus dem Weg feuern.

Das Unternehmen hat bisher rund 63 Millionen US-Dollar aufgebracht, davon 18 Millionen US-Dollar an Startkapital, 5 Millionen US-Dollar an Zuschüssen und 40 Millionen US-Dollar in einer Anfang dieses Monats abgeschlossenen Finanzierungsrunde der Serie A.

Quaise plant, Löcher mit einer Tiefe von bis zu 20 km (12,4 Meilen) zu bohren, deutlich tiefer als das Kola-Superdeep-Bohrloch – aber wo das Kola-Team fast 20 Jahre brauchte, um an seine Grenzen zu stoßen, rechnet Quaise damit, dass sein Gyrotron-gestützter Prozess nur 100 Tage dauern wird. Und das setzt ein 1-MW-Gyrotron voraus.

In diesen Tiefen rechnet Quaise mit Temperaturen um die 500 °C (932 °F), was weit über dem Punkt liegt, an dem die Geothermie einen gewaltigen Effizienzsprung macht.

„Wasser ist eine überkritische Flüssigkeit bei Drücken über 22 MPa und Temperaturen über 374 °C (705 °F)“, sagte Quaise. „Ein Kraftwerk, das überkritisches Wasser als Arbeitsmedium verwendet, kann im Vergleich zu nicht überkritischen Anlagen bis zu zehnmal mehr nutzbare Energie aus jedem Tropfen extrahieren. Das Streben nach überkritischen Bedingungen ist der Schlüssel zum Erreichen von Leistungsdichten, die denen fossiler Brennstoffe entsprechen.“

Quaise arbeitet an vollwertigen, vor Ort einsetzbaren Demonstrationsmaschinen, die nach eigenen Angaben im Jahr 2024 in Betrieb gehen sollen. Das Unternehmen plant, bis 2026 sein erstes „superheißes, verbessertes Geothermiesystem“ mit einer Leistung von 100 Megawatt in Betrieb zu nehmen.

Der nächste Schritt ist kommerzielles Genie: Quaise plant, bestehende Infrastrukturen wie Kohlekraftwerke zu nutzen, die irgendwann stillgelegt werden, da die Emissionsbeschränkungen immer strenger werden. Diese Anlagen verfügen bereits über enorme Kapazitäten zur Umwandlung von Dampf in Strom, verfügen über etablierte kommerzielle Betreiber und erfahrene Arbeitskräfte und sind praktischerweise bereits an das Stromnetz angeschlossen. Quaise wird einfach seine derzeitigen fossilen Brennstoff-Wärmequellen durch ausreichend überkritische geothermische Energie ersetzen, um die Turbinen auf unbestimmte Zeit am Laufen zu halten, ohne jemals einen weiteren Klumpen Kohle oder eine Methanwolke zu benötigen.

Quaise rechnet damit, im Jahr 2028 sein erstes mit fossilen Brennstoffen befeuertes Kraftwerk wieder mit Strom zu versorgen und den Prozess dann weltweit zu verfeinern und zu reproduzieren, da die Wärme mit dieser Bohrtechnologie absolut überall auf der Erde verfügbar sein sollte. Weltweit gibt es mehr als 8.500 Kohlekraftwerke mit einer Gesamtkapazität von über 2.000 Gigawatt, und bis 2050 müssen sie alle andere Aufgaben finden, die Chancen sind also eindeutig gigantisch.

„Wir brauchen in den kommenden Jahrzehnten eine enorme Menge an kohlenstofffreier Energie“, sagte Mark Cupta, Geschäftsführer von Prelude Ventures, einem der wichtigsten Series-A-Investoren des Unternehmens. „Quaise Energy bietet eine der ressourceneffizientesten und nahezu unbegrenzt skalierbaren Lösungen zur Energieversorgung unseres Planeten. Es ist die perfekte Ergänzung zu unseren aktuellen erneuerbaren Lösungen und ermöglicht es uns, in nicht allzu ferner Zukunft eine nachhaltige Grundlastversorgung zu erreichen.“

Wir müssen den Lesern des New Atlas nicht sagen, wie gewaltig die Veränderung für die grundlegende saubere Energie und den Prozess der Dekarbonisierung sein könnte. Wenn diese Technologie tatsächlich wie erwartet funktioniert (und die Erdkruste keine neuen Wege findet, sich gegen unser Eindringen zu wehren) und die Wirtschaftlichkeit stimmt, könnte diese neue Verwendung von Gyrotrons ironischerweise dazu führen, dass Fusionsreaktoren arbeitslos werden.

Wichtig ist, dass es im Gegensatz zu Solar- und Windkraftanlagen im industriellen Maßstab fast keinen Platz auf der Oberfläche einnimmt. Es wird auch einen globalen geopolitischen Wandel auslösen, da jedes Land gleichberechtigten Zugang zu seiner eigenen praktisch unerschöpflichen Energiequelle haben wird, und es wird sicher schön sein, wenn große Länder nicht die Bevölkerung kleinerer Länder „befreien“ müssen, um Zugang zu erhalten zu Energieressourcen.

Schauen Sie sich unten ein kurzes Video an.

Quelle: Quaise Energy