问题

将金属棒插入地壳中,通过热传导获得能量可行吗?

回答
将金属棒插入地壳获取能量,这个想法听起来确实挺有意思的,有点像科幻小说里的情节。不过要说它是否可行,而且要讲得细致点,咱们得好好掰扯掰扯这其中的门道。

首先,我们得明确一点,地壳内部并不是铁板一块,也不是均匀地燃烧着。它的温度分布非常复杂,而且随着深度增加,温度确实是会升高的,这就是所谓的“地温梯度”。全球平均下来,大概每深入100米,温度会升高23摄氏度。当然,这个数值在不同地区差异很大,有些地方比如火山活动频繁的区域,地温梯度会高得多。

那么,金属棒插入地壳获取能量,听起来就是利用地热嘛。地热能是一种很古老、也很稳定的能源,就像地球本身就是一个巨大的暖宝宝。目前我们利用地热的方式主要有几种:一种是直接利用地下的热水或蒸汽来发电,这种方式大家都比较熟悉了,比如一些地热发电站。另一种是干热岩技术,就是把地下高温的岩石加热水来发电。还有一种就是地源热泵,这个更常见,主要是利用浅层地下的恒温(相对而言)来供暖或制冷。

现在回到你说的“金属棒插入地壳”。这跟我们现在用的地热技术有点不一样,更像是一种“被动式”的能量收集方式。理论上,如果金属棒导热性足够好,并且能插入足够深、足够热的区域,它确实能把地下的热量传导上来。你可以想象一下,就像把一个金属勺子插到热水里,勺子就会变热一样。

但是,问题就出在“足够深”和“足够热”以及效率上。

第一个难题:插入的深度和难度

地壳可不是那么好钻的。我们最深的钻井也就到了地下十几公里,这和地球半径(大约6371公里)比起来,简直是九牛一毛。越往深处钻,温度越高,但同时压力也越大,而且地下的岩石也越坚硬,钻探的成本和技术难度是指数级增长的。你得用特殊的钻头,还得解决高温高压下的设备损耗问题。光是把一根金属棒安全、稳定地插到几公里甚至几十公里的深度,本身就是一个巨大的工程挑战。

第二个难题:热传导效率和能量输出

就算你成功地把金属棒插进去了,接下来就是热传导的问题。金属棒确实导热性好,但这就像你往一个大浴缸里丢一根细细的火柴,它能让周围那点水变热,但想要有效率地把大量热量传递上来,你需要一个足够大的收集面积和足够高的温差。

我们现在利用地热发电,通常是让水在地下循环,通过与高温岩石接触来加热,然后把高温的蒸汽或热水抽上来驱动涡轮机发电。这个过程是主动的,有循环,有驱动力。而你说的金属棒,它主要是靠热传导,这是一种相对慢速的能量传递方式。如果你只是简单地插一根棒子,让它自然地把热量往上传导,那么热量可能会在传导过程中散失掉一部分,而且传递到地表的能量密度可能不高。

要提高能量收集效率,可能需要有很多根金属棒,而且要以某种方式让它们形成一个网络,或者是在棒的周围做一些特殊的处理,比如增加表面积,或者是在棒内部设计一个流体循环系统来带走热量。如果仅仅是一根普通的金属棒,就算插得很深,它能够“搬运”上来的热量可能还不够支付你钻井和安装这些棒子的成本。

第三个难题:材料的选择和损耗

金属棒需要长期在地壳的极端环境下工作。地下的高温高压,再加上可能存在的腐蚀性物质(比如某些地下水中溶解的化学物质),对材料的要求非常高。你需要使用能够耐高温、耐高压、耐腐蚀的特殊合金,比如镍基合金或者一些耐高温的陶瓷复合材料。这些材料本身就造价不菲。而且,即使是最好的材料,在地壳这种恶劣的环境下长期工作,也会发生一定程度的损耗和老化,需要定期维护或更换,这又增加了成本。

第四个难题:能量的利用形式

就算是成功地把热量传导到地表了,你打算怎么利用这些热量呢?如果只是让金属棒变热,那么这个热量怎么办?是用来发电?还是用来供暖?

发电: 如果是用来发电,你就需要一个温差发电机或者类似的热机来把这个热量转化为电能。你需要足够高的温度差和足够的热量输入才能有效地驱动发电机。
供暖: 如果是用来供暖,这可能相对容易一些,但同样也需要足够的温度和热量来满足供暖需求。

总的来说,这种“金属棒插入地壳获取能量”的想法,在概念上和利用地热的原理是相通的,都是利用地球内部的热量。它更接近于一种“被动式”的地热能收集方式。

从技术可行性和经济性的角度来看,目前可能还面临着巨大的挑战。 主要是:

1. 钻探技术的限制和成本: 要达到足够深且温度足够高的地层,钻探的难度和成本是主要的障碍。
2. 能量收集效率: 仅靠热传导的效率可能不高,需要更复杂的系统设计来提高能量输出。
3. 材料和维护成本: 极端环境下的材料选择和长期维护费用很高。
4. 经济可行性: 与现有的地热发电技术或其他的可再生能源技术相比,这种方式在经济上是否具有竞争力,是需要仔细评估的。

所以,虽然听起来挺酷的,就像在地球身上插上一个“充电桩”,但要真正实现并大规模应用,还需要在钻探技术、材料科学、能量转换效率等多个方面有重大的突破。目前来看,更成熟和经济的地热能利用方式还是主流。不过,随着技术的进步,谁知道未来会不会有新的思路和方法出现呢!

简单来说,理论上有点道理,但实际操作起来的工程难度和经济成本,让它在现阶段更像是停留在概念和探索的阶段,离实用化还有很长的路要走。

网友意见

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你们写得很复杂、很学术、很严肃,让我说得搞笑些。

羊肉串见过吧,如果羊肉串的铁签都不烫手,那么地壳中的金属棒就更不烫手,这就是第一烫手定律


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想法非常好,特别好。但是理论上不可行,工程上更不可行。

因为导热是三维的。在一根金属棒中,热量不仅从地下垂直往上走,同时每走一段,就会横向扩展。所以你根本在地表得不到热量,因为在过程中就散发干净了。这就是为啥理论上不可行。

工程上不可行是因为固体导热的速率跟截面积成正比,换句话说,截面积越大导热越快。所以为了获得很高的导热,我们需要的是很大截面积的金属棒。但是钻孔的难度是跟截面积成正相关的(而且是指数上升的)。这就表明,要放一个截面积很大的金属棒下去,难度和成本是你不可接受的。

实际上,你说的这个东西在地热能中叫做干热岩开采。是指利用深度在几公里到10公里左右(经济开采目前认为只到7公里)的范围内,一些温度很高的岩石中的热量。利用的方法叫增强性地热系统(Enhanced Geothermal Systems,EGS),如下图所示。

主要方法就是在干热岩中打孔,然后输入流动的介质,一般来说是用水,也有用CO2的研究在进行。跟你所设想的方法不同的是,水和气体是流动的,所以他能够很快的把热量导上来,而不会出现热量在中间散失。而由于是使用流体导热,就不需要那么大的截面积了,打孔难度就低一些了。

因此,想法棒棒的,稍微改一下思路就是现在地热研究最前沿的东西。


六千赞更新。感谢各位的点赞,人生最高赞居然是这个答案。做科普也有一些年了,各位也给我上了一课。科普中态度比内容干货更加重要~~

科普的路漫漫,我会继续努力~~给各位鞠躬答谢~~~

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可以!可以!可以!

怎么不可以?为什么不可以?!

当然,只不过不是你以为的那样一根棒棒捅到地心然后导出一股热能,并加以利用的情况。

自古以来,利用地热能的例子枚不胜举,最平常的之一,比如温泉♨️。这里就不赘述了。

只说本问题:用金属插进地里,用热传导传出能量。

目前最普通的、最接近生活的可控的利用之一,应该就是“地源热泵”了。

地源热泵:夏天时,将热量通过介质传导到土壤,并将土壤的冷量传导到空调区域;冬天,流程反一下。(只是简单解释原理,具体有兴趣的可以看专业书籍,或者百科上简单了解)

这种方法,插入地里的就是金属管子,管子里是一种载冷剂(承载能量的介质)。

地热能经金属管壁热传导,传给介质,介质传到能量转换的机器(热泵主机),将低品位的能量(不适合直接利用的)转换为高品位的能量(可以直接利用的能量),然后投入到工作/生活区域并加以利用。


而在各行各业中,也有其他很多各不相同的利用地热能的方法和应用。

热的传递方式就是传导、对流和辐射,对于地热,目前主要应用方法应该还是在热传导。

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