Новая технология позволяет прорезать скалы расплавляя их

Стартап под названием Petra использует сверхгорячий газ для проникновения в коренные породы. Этот метод может удешевить прокладку коммуникаций под землей и сделать электрические линии более безопасными. 

Исследователи правительства США представили себе, как пробивают скальные породы с помощью проходческой машины с ядерным двигателем. Они считали, что эта техника может изменить мир, перемещаясь через верхнюю мантию Земли, как подводная лодка перемещается по воде, влияя на национальную безопасность и потенциально позволяя людям контролировать землетрясения и вулканы. Более чем за десять лет до этого эксперименты ученых Лос-Аламосской национальной лаборатории привели к созданию бура для плавления горных пород. Это привлекло внимание некоторых компаний, и, согласно статье ученых, "серьезно рассматривался вопрос об использовании устройства в качестве лунного бура для серии полетов "Аполлон", но идея так и не прошла дальше прототипа.

Теперь Petra, трехлетний стартап, вдохновленный этой идеей, утверждает, что разрабатывает технологию для резки горной породы без ее измельчения. В 2018 году компания впервые провела испытания плазменного резака в промышленном парке в Окленде, штат Калифорния. Позже более крупный плазменный резак разрезал каменные плиты при температуре свыше 10 000 градусов по Фаренгейту.

Позже Петра отказалась от плазмы в пользу смеси газа и тепла выше 1 800 градусов по Фаренгейту, которая разбивает камень на мелкие кусочки. Датчики, прикрепленные к небольшим стержням, касаются породы, но выемка осуществляется за счет тепла и газа. Используя эту технологию, которая была частично создана одним из соучредителей компании Tesla, Петра хочет сделать прокладку туннелей в коренных породах достаточно дешевой, чтобы побудить коммунальные службы прокладывать электрические и другие линии под землей.

Исследование, опубликованное в прошлом месяце, пришло к выводу, что столкновения с подземными коммуникациями ежегодно обходятся в 61 миллиард долларов только в США и представляют собой растущий риск для общественной безопасности. Генеральный директор компании Petra Ким Абрамс говорит, что компания надеется снизить стоимость закапывания инженерных коммуникаций на 50-80%, что сделает этот вариант жизнеспособным. Она отказывается делиться подробностями о смеси газа и тепла, называя их секретными.

"Все коммерчески доступные методы - это высококонтактные методы, которые измельчают землю, с которой они соприкасаются, чтобы удалить ее", - говорит Абрамс. "Это совершенно новый способ прокладки тоннелей".

Руководители организаций, занимающихся прокладкой тоннелей, таких как Североамериканское общество бестраншейных технологий, сообщили WIRED, что Petra разрабатывает первый бесконтактный метод, который они видели для прокладки тоннелей в твердых породах.

Боб Гудфеллоу 30 лет занимался подземным строительством и проектированием, а сейчас работает в системе метрополитена Лос-Анджелеса. Его компания Aldea работает с Petra над испытаниями первоначальных систем.

"Это похоже на то, чего я никогда раньше не видел", - говорит Гудфеллоу. "Были разговоры о таких вещах, как тоннелепроходческие машины с ядерным двигателем, бесконтактная проходка и тому подобное, но это были только прототипы. Насколько я знаю, это первые люди, которые пытаются действительно, по-настоящему коммерциализировать это".

Petra работает в скрытом режиме с 2018 года. По словам Абрамса, первоначально команда основателей считала, что плазма может стать идеальным способом разрезания горных пород. Но подход столкнулся с проблемами, включая размеры оборудования, способы подачи плазмы и то, что делать с бассейнами магмы, образовавшимися в результате раскопок.

"В итоге мы просто расплавили большую часть породы и создали лаву, а когда мы создали лаву, она эффективно удерживала нашу систему", - говорит она.

"Это похоже на то, чего я никогда раньше не видела". 

Технический директор Petra и соучредитель Tesla Ян Райт пришел в компанию около года назад, чтобы работать над проблемой энергопотребления для питания плазменного факела, но начал уводить команду от подхода плазменного факела. Райт говорит, что ему регулярно задают вопросы о Boring Company, компании по прокладке тоннелей, соучредителем которой является Элон Маск, но Райт утверждает, что не играет в этом никакой роли.

Коммунальные службы используют различные методы для прокладки линий электропередач или кабелей под землей. На городских улицах это обычно делается с помощью пилы с огромным лезвием для прорезания асфальта или бетона. В менее людных местах динамит или другие взрывчатые вещества взрывают породу, или экскаваторы разбивают породу на мелкие куски. Бурение может осуществляться с помощью традиционной буровой головки и смеси химикатов, а бурильные машины могут рыть туннели размером с автостраду или шириной всего в несколько дюймов.

Джон Флухарти - подрядчик, устанавливающий трубопроводы для коммунальных компаний, и член PDi2, компании, которая исследует и поддерживает способы "подземного" прокладки коммуникаций и электроснабжения. По его словам, закапывание линий электропередач обычно обходится в пять раз дороже, чем их прокладка над землей; прокладка в твердых породах может стоить в 20 раз дороже, чем прокладка воздушных линий. Но после того, как они установлены, затраты на обслуживание гораздо ниже, чем для наземных линий.

Беспокойство по поводу изменения климата повысило интерес к закапыванию линий электропередач. По заключению исследователей Принстонского университета, для того чтобы США достигли углеродной нейтральности к 2050 году, энергосистема страны должна будет передавать на 60% больше электроэнергии, включая четырехкратное увеличение мощности ветряных и солнечных электростанций. Технологические достижения, которые позволят линиям электропередач проводить больше электроэнергии, также помогут решить проблему изменения климата и продвинуть проекты ветряных и солнечных электростанций.

Сторонники говорят, что перенос коммуникаций под землю имеет больше смысла в мире, где экстремальные погодные условия могут угрожать доступу людей к электроэнергии, особенно в местах, подверженных пожарам и ураганам. В последние годы высоковольтные линии стали причиной многочисленных пожаров, включая пожар 2018 года в Северной Калифорнии, в результате которого погибли 84 человека. Компания Pacific Gas & Electric, которая признала себя виновной в непредумышленном убийстве в связи с этим пожаром, недавно обязалась проложить 10 000 миль линий электропередачи под землей в центральной и северной Калифорнии.

Пока рано говорить о том, сможет ли технология Petra оказать значимое влияние на усилия по борьбе с изменением климата или созданию более устойчивой энергосистемы, но в ближайшие годы, вероятно, будет расти спрос и потенциальные инновации в области проходческих и бурильных машин.

В прошлом месяце президент Байден подписал инфраструктурный законопроект стоимостью 1,3 триллиона долларов, который обещает выделить более 60 миллиардов долларов на электросети, чтобы доставить больше чистой энергии от солнечных и ветряных электростанций в сельской местности в города.

"Для нас это только растущая отрасль", - говорит Мэтью Иззард, исполнительный директор Североамериканского общества бестраншейных технологий, группы, занимающейся проектами подземной инфраструктуры в Канаде, Мексике и США. "Я довольно оптимистично смотрю на инфраструктурную отрасль и на бестраншейные технологии, в частности".

Бестраншейная прокладка тоннелей, подобная той, которой занимается Петра, включает в себя бурение отверстий под поверхностью с помощью дистанционно управляемых бурильных машин. Такие энтузиасты туннелестроения, как Гудфеллоу, также ожидают, что федеральное правительство планирует вложить десятки миллиардов долларов в закапывание инженерных коммуникаций в таких местах, как Калифорния.

"Будет все менее и менее приемлемым отключение электричества из-за пожара в горах. Зачем это нужно? В этом нет необходимости", - говорит Гудфеллоу.

Самые сложные породы могут потребовать десятки тысяч фунтов давления, чтобы измельчить их и пробить путь для трубы, но породы могут впитывать жидкости или по-другому разрушаться, если их разбить на более мелкие куски. Petra испытывает свой метод бурения туннелей в карьере в Миннесоте на кварците Сиу - породе, для разрушения которой, по данным Геологической службы США, требуется давление 25 000 фунтов на квадратный дюйм. Это примерно в восемь раз прочнее, чем большинство видов бетона. В ходе испытаний компания Petra утверждает, что ее метод проходит через породу со скоростью около 40 футов в час. Когда порода разбивается на мелкие кусочки, используется вакуум для высасывания фрагментов породы из отверстия.

Далее Петра планирует испытать свой метод вне лаборатории на проектах с использованием гранита, доломита, известняка и базальта, чтобы доказать, что его метод может работать в таких местах, как Калифорния, Колорадо и Аппалачские горы.

Помимо плазменных резаков и метода Петра с использованием тепла и газа, разрабатываются и другие инновационные или менее традиционные методы бурения. В проектах Колорадской школы горного дела и китайской провинции Фуцзянь использовались струи воды, подаваемые на переднюю часть режущих головок, которые шлифуют твердые породы. Вода помогает снизить нагрузку на металлические фрезы и смягчить грунт. В таких городах, как Афины и Мадрид, в рамках проекта BADGER используются роботы для рытья туннелей и 3D-печати труб. А такие компании, как Silo.ai и Sewerai, создают аппаратное и программное обеспечение, помогающее осматривать трубы для ремонта или обслуживания.