هیدروژن از زمین: مسابقه برای یافتن سوخت پاک زیر پایمان

از انفجارهای تصادفی گرفته تا تب چینه‌شناسی.

هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در جهان است و به طور طبیعی در داخل زمین تشکیل می‌شود، زمانی که مواد معدنی غنی از آهن با آب واکنش می‌دهند - فرآیندی ژئوشیمیایی به نام سرپانتینی شدن.

برای دهه‌ها، اکثر زمین‌شناسان معتقد بودند که حتی اگر هیدروژن به این روش تولید شود، مولکول‌های کوچک آن به سرعت از طریق ترک‌های سنگ فرار می‌کنند و انباشت آن در ذخایر قابل بهره‌برداری را غیرممکن می‌سازند.

این تصور در سال ۱۹۸۷ شروع به تغییر کرد، زمانی که چاه‌کن‌ها در مالی به توده‌ای از گاز هیدروژن طبیعی برخورد کردند و باعث انفجاری چنان قدرتمند شدند که سیگار را از لب‌های کسی که در آن نزدیکی ایستاده بود، انداخت. آن چاه تصادفی بعداً برای تولید برق برای کل یک روستا مهار شد.

از آنجا، تصویر به تدریج واضح‌تر شد. در اوایل دهه ۲۰۲۰، دانشمندان شروع به انتشار مطالعاتی کردند که تخمین می‌زدند ذخایر هیدروژن زمین‌شناسی زیرزمینی می‌توانند نیازهای انرژی جهان را برای صدها سال تأمین کنند.

یک سایت حفاری اکتشاف هیدروژن که توسط شرکت وما هیدروژن در کانادا اداره می‌شود. عکس: وما هیدروژن.

در ژانویه ۲۰۲۵، سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) اولین نقشه چشم‌انداز هیدروژن زمین‌شناسی را که کل ایالات متحده قاره‌ای را پوشش می‌دهد، منتشر کرد - نقطه عطفی که نشانگر گذار از تئوری به میدان است.

این نقشه ذخایر قابل بازیابی را تأیید نمی‌کند، اما اولین مبنای علمی سیستماتیک را برای شرکت‌ها فراهم می‌کند تا برنامه‌ریزی حفاری اکتشافی را آغاز کنند. امیدوارکننده‌ترین مناطق شامل ایالات متحده مرکزی و سواحل مرکزی کالیفرنیا است.

تنها چند هفته پیش، در ماه مه ۲۰۲۶، دانشمندان دانشگاه تورنتو در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر کردند که لایه‌های سنگی باستانی در اعماق کانادا به طور طبیعی هیدروژن آزاد می‌کنند - شواهد جدیدی مبنی بر اینکه زمین ممکن است حاوی منبع عظیم و بکری از انرژی پاک باشد.

بیشترین غلظت هیدروژن در شمال انتاریو، کبک، نوناووت و سرزمین‌های شمال غربی یافت می‌شود - همزمان با مناطق غنی از نیکل، مس و الماس کانادا.

دو مسیر، یک مقصد

کسب‌وکارها با دو استراتژی موازی به این مشکل نزدیک می‌شوند.

اولین استراتژی شامل جستجوی ذخایر هیدروژن از پیش موجود در زیر زمین، مشابه اکتشاف نفت و گاز است. شرکت پیشرو و با بیشترین سرمایه‌گذاری در حال حاضر، Koloma مستقر در دنور، کلرادو است.

شرکت کولوما که در سال ۲۰۲۱ تأسیس شد و بیش از ۴۰۰ میلیون دلار بودجه از سرمایه‌گذارانی از جمله آمازون، یونایتد ایرلاینز و شرکت سرمایه‌گذاری انرژی پیشرفته بیل گیتس دریافت کرده است، سه چاه اکتشافی را در آیووا تکمیل کرده و در حال حفاری چاه چهارم است که تمرکز آن بر منطقه وینسنت دام در شهرستان وبستر است - جایی که سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ غلظت بالای هیدروژن را ثبت کرد. علاوه بر این، این شرکت در حال راه‌اندازی اولین چاه‌های آزمایشی خود در شهرستان کانیون، آیداهو است و سازندهای بازالت غنی از آهن را در نزدیکی شهر نوتوس هدف قرار می‌دهد.

هایترا، یک شرکت استرالیایی، همزمان در کانزاس و نبراسکا در حال جستجوی هیدروژن و هلیوم است. با این حال، واقعیت‌های زمین‌شناسی همیشه پیچیده‌تر از مدل‌ها هستند: شرکت‌ها هیدروژن را در چاه‌ها در مراحل اولیه پیدا می‌کنند، اما به زمان بیشتری نیاز دارند تا ارزیابی کنند که آیا گاز می‌تواند با سرعت کافی برای استخراج تجاری جریان یابد یا خیر. این یک مشکل آشنا از روزهای اولیه اکتشاف نفت است - حفر چاه‌های زیاد قبل از یافتن چشمه.

دومین استراتژی جسورانه‌تر، تحریک فعالانه این فرآیند در زیر زمین است، نه منتظر ماندن برای تولید هیدروژن توسط طبیعت. این رویکردی است که توسط شرکت نوپای Vema Hydrogen در کبک کانادا اتخاذ شده است.

در معادن تتفورد - که زمانی "پایتخت آزبست" جهان بود، قبل از اینکه معادن به دلیل نگرانی‌های بهداشتی بسته شوند - وما دو چاه آزمایشی، هر کدام با عمق بیش از ۳۰۰ متر، در یک لایه افیولیتی که بیش از ۴۰۰ میلیون سال پیش تشکیل شده بود، حفر کرد. هدف این بود که آب تصفیه شده را به لایه‌های سنگی غنی از آهن پمپ کنند تا سرپانتینیزاسیون را تسریع کنند و در نتیجه هیدروژن را به صورت مصنوعی و بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای تولید کنند.

پیر لوین، مدیرعامل وما، این فرآیند را به یک «فرمول مخفی» تشبیه می‌کند که طی سال‌ها آزمایش آزمایشگاهی اصلاح شده است: ترکیب دقیق دما، فشار، کاتالیزورها و ویژگی‌های هر نوع سنگ. وما قصد دارد تولید در مقیاس بزرگ را در سال ۲۰۲۸ آغاز کند، با این هدف که هزینه هیدروژن را به کمتر از هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی برساند.

پتانسیل بالایی دارد، اما چالش‌های قابل توجهی نیز وجود دارد.

بزرگترین جذابیت برای سرمایه‌گذاری‌های خطرپذیر، علیرغم خطرات، برای کاوش در اعماق زمین برای یافتن هیدروژن، قیمت انقلابی آن است. طبق محاسبات وزارت انرژی ایالات متحده، هر کیلوگرم هیدروژن زمین‌گرمایی را می‌توان با کمتر از ۱ دلار در هر کیلوگرم تولید کرد - ارزان‌تر از هیدروژن حاصل از گاز طبیعی و تنها یک ششم هزینه هیدروژن "سبز" از منابع انرژی تجدیدپذیر فعلی.

با این حال، پتانسیل زیاد به معنای یک مسیر هموار نیست. کارشناسان مستقل مجموعه‌ای از خطرات فنی را فهرست می‌کنند: هیدروژن می‌تواند قبل از جمع‌آوری از طریق ترک‌های سنگ نشت کند؛ میکروارگانیسم‌هایی که در زیر زمین زندگی می‌کنند می‌توانند هیدروژن را درست قبل از پمپاژ مصرف کنند؛ پمپاژ آب به داخل سنگ می‌تواند باعث تورم لایه‌های زمین‌شناسی شود که منجر به تغییر شکل سطح یا حتی زلزله‌های جزئی می‌شود. با رویکرد جستجوی ذخایر طبیعی، چالش این است که هیچ راهی برای دانستن قطعی آنچه در زیر سطح قرار دارد، غیر از حفاری وجود ندارد - که اغلب گران است و می‌تواند شکست بخورد.

مانع دیگر، که سیستماتیک‌تر است، این است که بخش زیادی از بهترین داده‌های زمین‌شناسی در دست شرکت‌های خصوصی است که می‌خواهند آن را مخفی نگه دارند، که می‌تواند کل فرآیند کشف را کند کند. جفری الیس، ژئوشیمیدان در USGS، صریحاً اظهار داشت: اگر قرار است پیشرفت تسریع شود، طرفین باید داده‌ها را با یکدیگر به اشتراک بگذارند. در غیر این صورت، با سرعت فعلی، ارزیابی پتانسیل واقعی این منبع انرژی دهه‌ها طول خواهد کشید.

مقامات در تمام سطوح در ایالات متحده شروع به درک اهمیت این موضوع کرده‌اند. فرماندار میشیگان به سازمان‌های دولتی دستور داده است تا ژئوهیدروژن را مطالعه کرده و موانع توسعه آن را شناسایی کنند. نیروی هوایی ایالات متحده در حال بررسی امکان استفاده از ژئوهیدروژن به عنوان منبع انرژی برای پایگاه‌های خود است. با این حال، این صنعت هنوز بودجه قابل توجهی از فدرال دریافت نکرده است، در حالی که سایر راه‌های تولید هیدروژن پاک میلیاردها دلار دریافت کرده‌اند.

این چالش فراتر از استخراج است. حمل و نقل و ذخیره هیدروژن به طور مشهوری دشوار است، به این معنی که هر منبع زمین‌شناسی هیدروژن باید تا حد امکان نزدیک به منبع مصرف شود. چندین گزینه در حال بررسی است: تبدیل هیدروژن به متانول مایع برای کشتی‌ها - بخشی از صنعت حمل و نقل که تحت فشار زیادی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است اما قادر به کار با باتری نیست؛ استفاده از آن برای تولید سوخت پایدار برای هوانوردی؛ یا تأمین آن برای کارخانه‌های فولاد محلی، کارخانه‌های کود یا مراکز داده.

یک ایستگاه سوخت‌گیری هیدروژن در ورشو، لهستان. عکس: وودنسپراوی

به گفته پیر لوین، بلندپروازانه‌ترین سناریو، استفاده از ژئوهیدروژن برای سنتز نوعی متان مصنوعی است که می‌تواند به طور کامل جایگزین گاز طبیعی برای مصارف صنعتی و گرمایشی شود - جایگزینی در مقیاس ده‌ها میلیون تن در سال. این یک چشم‌انداز دور از دسترس است، اما آزمایش‌های زیرزمینی در کبک، آیووا، کانزاس، آیداهو و اورگان روزانه در حال جمع‌آوری شواهد هستند.

الکسیس تمپلتون، استاد ژئوشیمی در دانشگاه کلرادو بولدر که در حال تحقیق در مورد مهندسی هیدروژن در عمان - محل بزرگترین افیولیت جهان - است، خلاصه می‌کند: دو سال پیش، همه اینها بسیار نظری بودند؛ امروز، دیگر سوال این نیست که آیا تولید هیدروژن در زیر زمین امکان‌پذیر است یا خیر، بلکه سوال این است که آیا می‌توان این کار را با هزینه‌ای به اندازه کافی پایین انجام داد تا در بازار رقابتی باشد.

این دقیقاً سوالی است که همه در صنعت معدن برای پاسخ به آن با هم رقابت می‌کنند.