微波能解決世界石油危機？
如果讓你列出微波給我們生活帶來的便利之處，你會想到什麼？
一般人自然想到的是微波爐能夠輕鬆、快速搞定晚餐這個功能。但工程師彼得·卡爾想到的是，將微波作為能源危機的解決方案。
隨著人類社會的發展，石油這種不可再生資源日漸枯竭。當今世界還在激烈爭論：石油和天然氣的開採究竟是一種經濟機遇，還是環境的噩夢時，工程師卡爾卻想到，微波可以提供一個更清潔、更環保的方式從油頁岩中獲得這些燃料。這一想法對大多數人來講像是科幻片，但是他認為，這並不是什麼像星球大戰之類虛幻的東西，而是可以實現的願望。
開採「非常規石油」的困境
今天，全世界使用的大部分原油都是從產量豐富的中東或拉丁美洲等地的油田中開採而來的，這些石油都儲存在結構比較寬鬆的沉積層中，便於開採。但隨著人類對石油能源的需求越來越大，現有油田的儲藏量日漸枯竭，人類面臨的能源危機越來越嚴重。
在此背景下，油頁岩正在得到前所未有的重視。油頁岩又稱油母頁岩,是一種高礦物質含量的固體可燃有機沉積岩，它是由粉沙、淤泥和低等生物殘體腐解的有機質沉積形成的。若將油頁岩打碎並加熱至500℃左右，就可以得到頁岩油。頁岩油是「非常規石油」，我國常稱頁岩油為人造石油。
油頁岩傳統的開採方法是直接開採，然後將油頁岩放進乾餾爐加熱乾餾，但這種原始的方式對生態環境的破壞也十分嚴重，主要表現在三個方面：
一是生態及水質破壞嚴重。無論是露天採礦還是井下採礦，都需要把地下水位降低到含油頁岩層的層位以下，開採1立方米油頁岩，一般需要抽出25立方米的地下水；採礦水極大地增加了地表水、地下水中硫酸鹽的含量。在巴西，油頁岩採礦長期破壞著礦山及其附近的生態平衡和水位水質的穩定。
二是灰渣污染嚴重。通過直接開採得到的油頁岩用於提煉頁岩油或直接燃燒，產生大量灰渣，造成空氣污染和環境污染。
三是直接開採佔地較多，一旦開採就無法完全修復。
有鑒於此，現代開採油頁岩就在地下對油頁岩礦層進行直接加熱和裂解，促使其轉化為高品質的油或氣，再通過相關通道將油、氣分別提取出來,採集到地面進行加工。
但這種方法在開採過程中仍然存在諸多問題，比如地下岩層受熱慢、破壞地下環境、油氣雜質含量多等等。
近幾年還興起一種水力壓裂技術法，它是將水、砂子和化學試劑摻雜製成壓裂液，再灌進岩石深處並壓裂岩石，最終釋放出石油或天然氣。這種方法尤其適合開採頁岩孔隙中的天然氣，它的應用推動了美國天然氣產量大幅增長，使美國從能源消費國轉變為能源供應國，燃料由燃煤轉變為天然氣，二氧化碳的排放量減少了一半左右。
但這項技術卻伴隨著高昂的環境代價，尤其是在水的消耗量上。美國有3.5萬個靠水力壓裂技術提取的油氣井，每年要消耗多達5250億升的水，這個數值相當於大約380萬美國公民一年的用水量！再者，在技術應用上，水力壓裂技術法是一種具有腐蝕性且暴力的方式。向地層注入的壓裂液是非常不環保的化學試劑，比如用鹽酸清除鑽井裡的水泥碎片或分解石灰石，其中還加了緩蝕劑、減摩劑、粘度降低劑和生物殺菌劑等等，嚴重損害了地下環境。
而彼得·卡爾微波開採技術似乎正好可以解決這些問題和難點。微波輻射加熱開採油氣的原理，是加熱困在油頁岩孔隙裡面的水分，而受熱沸騰的水會與固態的碳氫化合物（油氣）混合，會變成液態。當繼續加熱時，混合液就變成蒸汽，通過油頁岩的孔隙和裂縫流動，運移彙集到生產井，我們就可以在地表進行收集。
高效率、低污染
我們知道，儘管油頁岩中石油含量豐富，但它卻是一種熱的不良導體。加熱法開採油頁岩，一般是利用直接傳導加熱或對流加熱的方法，但是這兩種方法的熱量傳遞速度十分緩慢，而且熱量傳遞不完全。也就是說，傳統的加熱方法只能加熱一部分岩石，遇到障礙物時，熱量傳遞就會受阻。
然而，利用微波進行輻射加熱，則克服了這些難點，它通過分子之間的相互碰撞、摩擦而生熱，其能量利用效率高，物體升溫非常迅速。而油頁岩礦層本身的溫度卻不會過度增加，這樣就減輕了對礦層生物的傷害。
另外，開採過程中，岩石縫隙里的蒸汽能夠抑制氧氣的含量，使油井裡的氧氣能保持在較低水平，這樣的話，氧氣就不能輕易燃燒起來，也就意味著微波加熱採礦過程，沒有地下火災的風險。
微波輻射加熱採礦的整體效果，類似於高效率的水力壓裂技術，但是整個過程中沒有使用任何化學物品，也沒有使水受到污染。微波發出的波束可能會烤熟在發射路上遇到的微生物，但它產生的傷害仍然低於水力壓裂法中使用的酸性化合試劑。科學家表示，這是目前效率更高、對環境的影響更小的油氣提煉方法。
事實上，微波輻射加熱不僅不會像水力壓裂技術一樣消耗大量的水，甚至還能產生可飲用的純凈水。研究人員表示，雖然油砂的含水量僅佔1%左右，但油頁岩的含水量可達到20%左右。利用微波技術，開採一桶原油或天然氣，就能獲得兩到五桶的水。例如，美國西部的綠河中的地層，包含世界最大的油母頁岩礦床，如果採用微波加熱開採，那麼每生產一桶油，就能獲得兩桶純凈水。斯坦福大學地球系統科學家羅伯·傑森說，如果微波技術可消除隙縫中的化學物質對水的需要，那將是科技的重大進步。
舊井廢棄？不，重新利用
卡爾還想到了微波加熱的另一種使用方式，就是疏通現有的石油和天然氣鑽井，在常規油井裡，石蠟和其他雜質經常會堵住輸油管道。而在水力壓裂井中，頁岩吸收水會膨脹或破碎，導致油氣體的輸出受阻，產量因此快速下降。
因為這些舊的油井的產油速率已經變得過於緩慢，甚至無法繼續經營下去。儘管還剩餘很多石油或天然氣，人們仍舊遺棄許多這樣的油氣井，並開始在別的地方挖掘新井。
卡爾說，如果微波可以融化石蠟或蒸發掉水分，那麼被廢棄的油氣井就可以重新有效地利用。如果我們可以從舊井生產更多石油，那麼不用一直尋找新的油井，這可以有助於保護環境敏感和脆弱的油井地區，在一定程度上保護了自然原生態環境。
另外，英國諾丁漢大學約翰·羅賓遜教授和他的同事們，正在研究一項微波技術，能夠將困在鑽孔岩屑的重油釋放出來，或凈化鑽井過程中留下的被污染的油砂。當用微波加熱這些物質時，被加熱的水就會與重油混合在一起，帶出這些被困住的重油，留下基本上乾淨通透的砂子。
這樣的方法也可以用於凈化砂、粘土、水、瀝青的混合物——一種粘稠的石油泥漿混合物。在油氣開採過程中，人們一直盡量避免將石油泥漿混合物從地層中抽出來，之前唯一的辦法就是運用條帶開採或露天開採，這意味著要用大型液壓挖掘機挖開地面，像加拿大的北部森林，地面被挖掘機夷平了數千平方千米！理所當然地，這引起了油氣開發區人們的強烈抗議。
而英國石油巨頭BP石油公司已經資助羅賓遜的研究團隊，希望他們凈化海洋鑽取石油時帶出的大量岩屑，並將這些凈化後的岩屑安全地投回大海。
微波採礦，問題與挑戰
雖然微波加熱會比原有的油氣開採技術更環保，但同樣地，微波提取法的過程也會有碳排放。為改善這種情況，卡爾計劃利用微波加熱過程中的岩石裂縫，來存儲微波發生器發電時產生的二氧化碳；或者將在微波發生器設置在可再生能源的地區。例如，美國科羅拉多州的油母頁岩礦床位於多風的地區，風力發電的渦輪機就能為微波發生器提供充足的電力。
而我們需要謹慎的是，新技術的發展可能會染指新的礦產領域——例如，美國綠河地層儲存大量瀝青油，如果沒有這項技術，瀝青油就會永遠留在地層中，我們也就不用考慮開採油氣可能引發的各種環境問題。
有些科學家表示，新技術可能會帶來一場大災難，因為新的方法能夠提取更多化石燃料，從國家或全球的發展戰略角度看，帶來的後果將是瘋狂的，可能會導致國家石油搶佔狀況加劇，還可能會快速增加地球溫室氣體的排放量。
但羅賓遜教授不這樣看，他認為，微波加熱開採作為一種新型環保技術，應該是通往低碳經濟的必要橋樑。因為目前，人類仍舊需要提取這些碳氫化合物（石油或天然氣），來推動經濟發展，從而才能促使可再生能源的開發。
然而，微波加熱提取油氣的最大障礙不是技術、政治或環境等因素，而是來自石油或天然氣市場。比如，這些年以來，石油價格從每桶超過100美元，去年年底開始暴跌，現在變成搖擺不定的大約50美元一桶，價格無望恢復到以前的高度。因此，採礦公司投資新提取技術的興趣低下，意味著技術投入實際應用的資金管道受到很大限制 ——除了舊井的修復項目。因此，若要發展這項技術，還要看油價是否足夠誘人，以驅使採礦公司來採用。
（本文源自大科技*科學之謎2015年第11期）
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