Từ thập niên 1970, Liên Xô đã tiên phong với giếng khoan siêu sâu Kola, đạt độ sâu 12.226 mét sau hơn hai thập kỷ nỗ lực. Tuy nhiên, kỷ lục này có thể sớm bị phá vỡ khi Hoa Kỳ công bố kế hoạch khoan một giếng mới đạt độ sâu 19 km, sâu hơn giếng Kola tới 7 km. Dự án này không chỉ đơn thuần là một cuộc thử nghiệm khoa học mà còn mang theo tham vọng khai thác một nguồn năng lượng khổng lồ – năng lượng địa nhiệt , mở ra triển vọng thay đổi hoàn toàn bản đồ năng lượng toàn cầu.
Trong hơn 50 năm qua, giếng sâu Kola của Liên Xô vẫn giữ kỷ lục là giếng khoan sâu nhất mà con người từng tạo ra trên hành tinh. Dự án này, được khởi xướng vào năm 1970, nằm trong chương trình "Earth Telescope Project" nhằm thám hiểm sâu vào thạch quyển và khám phá những bí ẩn địa chất ẩn giấu dưới bề mặt.
Giếng Kola được khoan trên lãnh nguyên băng giá của vùng Murmansk, trải qua 24 năm với sự tham gia của hơn 5.000 nhà khoa học và kỹ sư. Đến năm 1994, giếng đã đạt độ sâu kỷ lục 12.226 mét, nhưng do nhiệt độ quá cao, lên tới 180°C và áp suất khổng lồ, việc khoan tiếp đã trở nên bất khả thi. Dẫu vậy, giếng Kola đã mang lại nhiều khám phá quan trọng, trong đó có việc tìm thấy hóa thạch vi sinh vật cổ đại 2 tỷ năm tuổi ở độ sâu 7 km, làm thay đổi hiểu biết về sự sống trên Trái Đất.
Tuy nhiên, giếng Kola chỉ là bước khởi đầu cho tham vọng của nhân loại trong việc chinh phục những tầng sâu hơn của hành tinh. Đầu năm 2024, Hoa Kỳ đã công bố một dự án khoan siêu sâu mang tính đột phá, do công ty năng lượng Quaise Energy Inc. thực hiện. Mục tiêu của dự án này là khoan xuống độ sâu 19 km, vượt xa giếng Kola và tiến sát tới ranh giới giữa lớp vỏ và lớp phủ của Trái Đất. Đây không chỉ là một thí nghiệm khoa học mà còn là một nỗ lực để khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt, một dạng năng lượng sạch có tiềm năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai.
Năng lượng địa nhiệt đã được khai thác từ lâu, nhưng việc tiếp cận các nguồn nhiệt sâu trong lòng đất vẫn còn nhiều hạn chế. Với giếng khoan 19 km, các nhà khoa học hy vọng sẽ khai thác được nước siêu tới hạn – một trạng thái đặc biệt của nước khi vượt qua nhiệt độ 374°C và áp suất 22,1 MPa. Ở trạng thái này, nước có mật độ cao như chất lỏng nhưng khả năng khuếch tán mạnh như khí, và quan trọng nhất là chứa một mức năng lượng khổng lồ gấp 10 lần nước địa nhiệt thông thường. Khi được khai thác, nước siêu tới hạn có thể trực tiếp làm quay các tuabin phát điện mà không cần trao đổi nhiệt phức tạp, giúp nâng cao hiệu suất của các nhà máy điện địa nhiệt lên tới 40%, vượt xa mức 20% của năng lượng mặt trời và điện gió.
Tuy nhiên, để khoan tới độ sâu này, các phương pháp khoan truyền thống sẽ không còn hiệu quả. Ở độ sâu 19 km, nhiệt độ có thể vượt quá 500°C, trong khi các mũi khoan hợp kim cacbua vonfram thông thường sẽ bị làm mềm và biến dạng ở mức 400°C. Không những thế, bùn khoan thông thường cũng sẽ bốc hơi và thậm chí có thể phát nổ khi tiếp xúc với nhiệt độ cực cao. Một trở ngại lớn khác là khi xuống đến độ sâu hơn 12 km, đá dưới lòng đất không còn ở trạng thái rắn hoàn toàn mà trở nên dẻo như nhựa đường do áp suất khổng lồ, gây ra những thách thức cực lớn cho việc duy trì ổn định giếng khoan.
Để giải quyết những vấn đề này, Quaise Energy đã phát triển một công nghệ khoan hoàn toàn mới dựa trên sóng milimet năng lượng cao. Hệ thống này hoạt động theo nguyên lý tương tự như vũ khí laser: một chùm sóng milimet với mật độ công suất lên tới 200 kW/cm² sẽ được tập trung vào bề mặt đá thông qua một ống dẫn sóng đặc biệt có đường kính 7 cm. Khi tiếp xúc với sóng này, đá sẽ ngay lập tức bị nung nóng tới 2.800°C, chuyển thành plasma và bốc hơi. Phương pháp khoan không tiếp xúc này có tốc độ khoan vượt trội, về mặt lý thuyết có thể xuyên qua 20 km lớp đá chỉ trong 20 ngày, nhanh hơn ít nhất 60 lần so với phương pháp khoan truyền thống.
Ngoài ra, để có thể hiện thực hóa công nghệ này, các kỹ sư đã phải vượt qua ba thách thức lớn. Thứ nhất, họ đã phát triển một máy phát sóng milimet công suất megawatt dựa trên công nghệ gyrotron, với hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên tới 70%. Thứ hai, họ đã thiết kế một hệ thống tự làm sạch ống dẫn sóng bằng cách sử dụng dòng khí argon siêu âm để thổi bay các mảnh đá nóng chảy, ngăn chặn sự tích tụ làm giảm hiệu suất. Cuối cùng, họ đã phát triển một hệ thống điều chỉnh chùm tia thông minh, có khả năng phân tích địa chất theo thời gian thực và điều chỉnh thông số khoan để đạt hiệu suất tối ưu.
Việc khoan giếng 19 km không chỉ là một bước tiến trong lĩnh vực năng lượng mà còn mở ra cơ hội chưa từng có trong nghiên cứu khoa học về Trái Đất. Khi đạt đến độ sâu này, các nhà khoa học có thể quan sát trực tiếp chuyển động đối lưu của lớp phủ lần đầu tiên, giúp giải mã cách thức mà năng lượng bên trong Trái Đất di chuyển và ảnh hưởng đến hoạt động kiến tạo mảng. Những dữ liệu thu thập được có thể giúp cải thiện dự báo động đất, núi lửa và các hiện tượng địa chất khác.
Nếu thành công, dự án này sẽ không chỉ phá vỡ kỷ lục của giếng sâu Kola mà còn có tiềm năng thay đổi hoàn toàn bản đồ năng lượng thế giới. Theo mô phỏng của MIT, nếu chi phí khai thác điện địa nhiệt giảm xuống mức 50 USD/MWh, nó sẽ trở thành lựa chọn kinh tế khả thi để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Khi đó, các nhà máy nhiệt điện than có thể trở thành dự phòng, điện gió và điện mặt trời sẽ chuyển sang sản xuất hydro, và hệ thống kết hợp giữa địa nhiệt và hydro có thể trở thành giải pháp năng lượng chủ đạo trong kỷ nguyên trung hòa carbon.
