قشر زمین مقدار کافی «هیدروژن طلایی» را مخفی دارد تا بتواند جهان را برای دهها هزار سال تأمین انرژی کند؛ پژوهشهای نوظهور نشان میدهد
مخازن هیدروژن که بهصورت طبیعی در قشر زمین شکل میگیرند میتوانند به انسانها در کاهش انتشار کربن کمک کنند. چالش کنونی یافتن این انباشتها و تعیین بهترین روش استخراج آنهاست، به گفتهٔ کارشناسان.
در سال ۱۹۸۷، کارگری در کنار یک چاه آب جدید نزدیک دهکدهٔ بوروکبویگو در مالی یک سیگار روشن کرد.
اما همانطور که این کار را انجام داد، یک انفجار درون چاه بهصدا درآمد. امروزه میدانیم این بهدلیل ابرهای ناشناختهٔ هیدروژن سوزناک بوده که از یک مخزن گازی زیر چاه به سطح میرفت.
چاه مسدود شد و موقتاً رها شد. سپس، در سال ۲۰۱۱، شرکت نفت و گاز Petroma (که بعدها به Hydroma تبدیل شد) سیمان آن را برداشت تا بررسی کند آیا میتوانند هیدروژن را بهمنظور سودآوری استخراج کنند. تا سال ۲۰۱۲، این شرکت چاه را برای تولید برق برای بوروکبویگو توسعه داد و این روستا همچنان امروز برای تأمین انرژی به این هیدروژن وابسته است.
چاه بوروکبویگو اولین و تنها چاه هیدروژن تولیدی در جهان است. هنگامی که در سلولهای سوختی با اکسیژن ترکیب میشود، هیدروژن — کوچکترین و سادهترین مولکول موجود — میتواند برق تولید کند بدون اینکه گازهای گلخانهای منتشر شود و تنها حرارت و آب بهعنوان محصول فرعی باقی بمانند. این ویژگی هیدروژن را به منبع انرژی پاک تبدیل میکند و انتظار میرود که تقاضای آن تا سال ۲۰۵۰ پنج برابر افزایش یابد تا میکروالکترونیک تولید کند، صنایع را تأمین نماید و وسایل نقلیه و ساختمانها را انرژیدار سازد.
هیدروژن از هوا سبکتر و بسیار واکنشپذیر است، بهطوری که دانشمندان مدتها بر این باور بودند که این گاز در قشر زمین به همان شکل سوختهای فسیلی جمع نمیشود. اما کشف در بوروکبویگو، بههمراه کشفهای جدیدتر، این پارادایم را بهطور کامل تغییر داده است.
شرکتهای اکتشاف منابع هماکنون بهسرعت برای یافتن مخازن هیدروژن طبیعی هستند که به عنوان «هیدروژن طلایی» شناخته میشود. برای کمک به آنها، دانشمندان «موارد اساسی» لازم برای شکلگیری این انباشتها را شناسایی کردهاند. و بهدلیل این دانش، تکنیکهایی برای تقویت یا شبیهسازی تولید هیدروژن طبیعی که پیشتر غیرقابل اجرا بهنظر میرسید، در حال جذب توجه هستند، به گفتهٔ کارشناسان در Live Science.
«ما هر چه بیشتر بهدنبال آن بگردیم، بیشتر پیدا میکنیم»، جفری الیس، شیمیدان ژئوشیمی نفتی در سازمان زمینشناسی ایالات متحده، به Live Science گفت.
تغییر پارادایم
هیدروژن منبعی برای انرژی است، اما همچنین جزئی حیاتی در تولید کود، نفت تصفیهشده و سوخت موشکی است. صنعت تقریباً تمام هیدروژن خود را با حرارتدادن گاز طبیعی در حضور بخار تولید میکند تا مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن بهدست آید که از آن هیدروژن استخراج میشود.
این روش «هیدروژن خاکستری» تولید میکند و حدود 1 میلیارد تن (920 میلیون تن متریک) دیاکسید کربن را سالانه به جو تخلیه میکند — معادل ۲.۴٪ از انتشارات سالانهٔ جهانی. در نظریه، انرژیهای تجدیدپذیر میتوانند گاز طبیعی را جایگزین کنند تا «هیدروژن سبز» تولید شود، در حالی که «هیدروژن آبی» از سوختهای فسیلی بهدست میآید اما با جذب کربن، به این معنا که کربن به جو وارد نمیشود. اما اینها بهطور کلی تنها بخش کوچکی از تولید هیدروژن در سطح جهان را تشکیل میدهند.
«هیدروژن منبع انرژی پاکی است، اما نحوهٔ بهدستآوردن هیدروژن شما مهم است»، کریس بالنتین، استاد شیمی زمین در دانشگاه آکسفورد، به Live Science گفت.
مخازن عظیم، منتظر کشف شدن
کشف مال، جستوجوی جهانی برای مخازن هیدروژن را شروع کرد. اما پیش از اینکه ژئولوژیستها پروژههای گرانقیمت اکتشافی را آغاز کنند، نیاز به درک مقدار هیدروژنی دارند که ممکن است در زیرزمین مخفی باشد.
برآوردهای جدید نشان میدهند که این مقدار بهطور شگفتانگیزی بزرگ است. قشر قارهای زمین در طول یک میلیارد سال گذشته هیدروژن کافی تولید کرده است که میتواند نیازهای انرژی فعلی جامعه را به مدت ۱۷۰٬۰۰۰ سال برآورده کند، طبق مرور اخیر بالتین و همکارانش. اگرچه بخش عمدهای از این هیدروژن به جو فرار کرده است، این رقم «نقطهٔ شروعی برای درک این است که تولید هیدروژن در قشر زمین قابلتوجه است»، بالتین گفت.
سایر برآوردها این عدد را در مقالهٔ بالتین دو برابر میکنند. اوفیولیتها قطعاتی از پوسته اقیانوسی هستند که به پوسته قارهای اتهام شدهاند، و برخی برآوردها نشان میدهند که این بقایای پوسته اقیانوسی میتوانند همان مقدار هیدروژن را تولید کنند که پوسته قارهای تولید میکند، بالتین گفت.
اما چه مقدار از این هیدروژن در قشر زمین باقی مانده است؟ در سال ۲۰۲۴، الیس و همکارانش محاسبه کردند که سیاره حدود ۶٫۲ تریلیون تن (۵٫۶ تریلیون تن متریک) هیدروژن دارد، که تقریباً ۲۶ برابر مقدار نفت بهعنوان باقیمانده در زیر زمین شناخته شده است. مکان دقیق این ذخایر هیدروژن تا حد زیادی ناشناخته است. بیشتر آنها احتمالاً بسیار عمیق یا در دوردستهای دریایی قرار دارند که دسترسی به آنها دشوار است، و برخی مخازن ممکن است آنقدر کوچک باشند که استخراجشان مقرونبهصرفه نباشد — اما پژوهشگران تأکید کردند که تنها ۲٪ از کل هیدروژن میتواند سوختهای فسیلی فعلی ما را به مدت ۲۰۰ سال جایگزین کند.
«پتانسیل موجود در زیر زمین بسیار، بسیار بزرگ است»، الیس گفت. علاوه بر این، هیدروژن طبیعی، برخلاف هیدروژنی که از طریق فرایندهای صنعتی تولید میشود، دارای ذخیرهسازی داخلی است زیرا در قشر زمین جای گرفته است. همچنین ردپای کربنی آن بهمراتب کمتر از هیدروژن مصنوعی است، بدین معنی که انتشار گازها تنها در مرحله استخراج رخ میدهد، الیس افزود.
عناصر
در ژانویهٔ ۲۰۲۵، الیس و همکارانش نقشهای منتشر کردند که نشان میدهد مخازن هیدروژن ممکن است در ایالتهای پایین ۴۸ ایالات متحده وجود داشته باشند. پژوهشگران از دادههای گرانش و سیگنالهای مغناطیسی برای تخمین ترکیب سنگها در سراسر قشر زمین استفاده کردند تا مکانهایی را که هیدروژن ممکن است بهصورت زیرزمینی جابجا شود، تعیین کنند.
«این اولین باری بود که کسی سعی در انجام چنین نقشهبرداری داشت»، الیس گفت.
این شش شرط، یا عناصری، در تمام قارهها وجود دارد، بالتین گفت.
در حال حاضر، شرکتهای هیدروژن عمدتاً در شکاف مید‑قارهای در حال حفاری چاههای اکتشافی هستند — جایی که آمریکای شمالی یک میلیارد سال پیش شروع به جداسازی کرد، اما در نهایت شکست خورد — که سرشار از سنگهای غنی از آهن است.
سنگهای غنی از آهن شامل بازالت و گابرو هستند. ماننتل زمین، لایهای زیر قشر، آب زیرزمینی را گرم میکند و بخاری تولید میکند که با آهن واکنش میدهد و هیدروژن تولید میکند. سنگهای غنی از اورانیوم و توریم شامل گرانیتها هستند و میتوانند رادیولیز آب را تحریک کنند.
سومین شرط این است که سنگهای منبع بسیار، بسیار داغ باشند — بین ۴۸۰ تا ۵۷۰ درجه فارنهایت (۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سلسیوس) — که سرعت واکنش را بهطور چشمگیری تضمین میکند، الیس گفت.
چهارم، منطقه باید سنگهای مخزنی داشته باشد که بتوانند هیدروژن را پس از تولید و جابهجایی در قشر نگهدارند. سنگهای مخزن معمولاً ماسهسنگهای متخلخل هستند، اما انواع دیگر سنگها نیز میتوانند مؤثر باشند اگر بهطور قابلتوجهی تکهتکه باشند، الیس گفت.
پنجمین معیار برای تشکیل مخزن هیدروژن وجود یک «درپوش» نامنقول است که گاز داخل مخزن را به دام میاندازد. «چیزی شبیه به شیل یا شاید نمک میتواند ایدهآل باشد که روی سنگ متخلخل قرار گیرد»، الیس گفت. بهطور کلیدی، این درپوش باید هنگام تولید هیدروژن وجود داشته باشد، وگرنه گاز به جو نشت میکند، او افزود.
ششمین و آخرین شرط این است که در مکانی که هیدروژن تولید و انباشته میشود، فعالیت میکروبی به حداقل برسد، زیرا میکروبها هیدروژن مصرف میکنند، وار گفت.
نگاهی به آینده
پژوهشگران همچنین به بررسی ذخایر هیدروژن در عمان میپردازند، جایی که اوفیولیتها حضور دارند. ژئولوژیستهای دانشگاه کلرادو یک پروژهٔ آزمایشی را اجرا میکنند در این کشور تا امکان تولید «هیدروژن تحریکشده» را ارزیابی کنند، الیس گفت.
تولید هیدروژن تحریکشده از آنچه دانشمندان دربارهٔ زمینشناسیای که هیدروژن را میسازد و انباشته میکند، آموختهاند، الهام میگیرد. این فرآیند شامل تزریق آب به قشر زمین برای آغاز واکنشهای هیدراتاسیون یا رادیولیز میشود.
یک سال پیش، افراد در صنعت هیدروژن نسبت به تحقق تولید هیدروژن تحریکشده شکاک بودند، الیس گفت. اما اکنون، «من تغییر عظیمی را مشاهده کردهام»، او افزود.
اگر بتوانیم هیدروژن طبیعی را پیدا کنیم و استخراج کنیم، این گاز میتواند انتشار گازهای گلخانهای را در طیف گستردهای از بخشها کاهش دهد.
هیدروژن طبیعی بحران آب و هوایی را حل نمیکند، اما میتواند برخی از ریسکها را کمینه کند. «این باید یکی از استراتژیهای متعددی باشد»، وار گفت. «ما فقط باید پتانسیل واقعی آن را درک کنیم و بفهمیم چگونه میتوان بهترین بهرهبرداری را از آن بهدست آورد.»
برخی از ملاحظات کلیدی برای شرکتها این است که آیا مزایای توسعه مخازن هیدروژن طبیعی پس از یافتن آنها، هزینه ساخت کارخانههای تولید در محل یا انتقال گاز به صنایعی که به آن نیاز دارند، توجیه میکند یا خیر.
«اگر در منطقهای دورافتاده باشید و یک میدان گاز بسیار بزرگ پیدا کنید، هنوز هم ممکن است استخراج آن اقتصادی نباشد، چرا که هزینههای رساندن هیدروژن به بازار بسیار زیاد است»، بالتین گفت. «یک تعادل هزینه‑فایده وجود دارد.»
اما بهطور کلی، کارشناسان خوشبین هستند. «بهنظر من، بیش از یک دوجین چاه در ایالات متحده تا بهحال حفاری شدهاند»، الیس گفت. «آنها مقدار زیادی هیدروژن پیدا کردهاند.»