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    Dispositivi di misurazione per l'ambiente più estremo del mondo

    L'interno della terra è un'immensa fonte di energia. Ora ricercatori norvegesi e italiani vanno a fondo per raccoglierlo. Credito:Thinkstock

    I ricercatori norvegesi stanno contribuendo allo sviluppo del pozzo geotermico più caldo del mondo in un'area non vulcanica. L'obiettivo è sfruttare l'inesauribile apporto di calore dall'interno della Terra, e questo richiede attrezzature in grado di resistere alle condizioni più estreme.

    Un team di ricerca internazionale ha recentemente completato un progetto UE triennale chiamato DESCRAMBLE (Drilling in dEep, Super-Critico, AMBIENTI DELL'EUROPA CONTINENTALE). Insieme, il team del progetto ha perforato un pozzo di prova in un campo geotermico in Toscana in Italia. La società italiana Enel Green Power, un produttore globale di energia verde, sta guidando il progetto, con SINTEF come partner di ricerca. Insieme stanno tentando di sfruttare le forze naturali trovate tre chilometri più vicino al centro della Terra.

    Il pozzo è il pozzo geotermico più caldo del mondo in un'area non vulcanica. Poiché in Italia il calore terrestre si incontra vicino alla superficie, il paese è ricco di aree adatte alla perforazione geotermica – con temperature roventi che raggiungono i 500-600 gradi Celsius, con conseguente acqua supercritica che i ricercatori sperano di scoprire. E hanno ottime ragioni. Se riusciranno a sfruttare l'energia di quest'acqua, possono perforare pozzi geotermici dieci volte più efficaci di quelli attualmente in funzione. Questo ha il potenziale per ridurre drasticamente i costi e aprire la strada a un fantastico futuro energetico basato su risorse puramente naturali. Però, nella sua fase supercritica, il liquido è corrosivo e attacca qualsiasi attrezzatura di perforazione che lo incontra.

    Bomba energetica supercritica

    "Siamo di fronte a molte grandi sfide, ma abbiamo fatto molta strada, "dice Magnus Hjelstuen, Responsabile della ricerca presso SINTEF Harsh Environment Instrumentation.

    L'apparecchiatura di misurazione che SINTEF ha sviluppato nell'ambito di questo progetto è un cosiddetto "strumento di registrazione wireline" in grado di misurare le temperature e le pressioni di fondo pozzo. Tali misurazioni sono cruciali nella ricerca dell'acqua supercritica estremamente ricca di energia. I dati di temperatura e pressione indicano quando la punta del trapano è entrata in una zona contenente tale acqua, e le proprietà geotermiche del pozzo (sia la temperatura massima che le variazioni di temperatura causate dalla perforazione) ci diranno quanta energia può produrre il pozzo.

    Poiché i cavi elettrici non funzionano a temperature superiori a 350°C, Gli strumenti di misura di SINTEF sono alimentati a batteria. La temperatura viene registrata in profondità nel pozzo e viene letta quando il dispositivo ritorna in superficie.

    Nella sua fase supercritica, il liquido è corrosivo e attacca qualsiasi attrezzatura di perforazione che lo incontra.

    Questo non è un compito semplice. A due o tre chilometri all'interno della Terra la temperatura e la pressione aumentano enormemente. Qualcosa di molto speciale accade quando la temperatura raggiunge i 374 gradi e la pressione è 218 volte la pressione dell'aria in superficie. Incontriamo quella che chiamiamo acqua supercritica. Quest'acqua è in uno stato fisico che progredisce da liquido in gas - e da lì in una fase supercritica, in cui non è né l'uno né l'altro.

    È questa forma speciale di acqua, ancora da scoprire, che i ricercatori stanno cercando. Per raggiungere le condizioni che lo rendono supercritico, l'acqua deve avere una temperatura di almeno 374°C, a pressioni di 200 bar.

    "Una colonna d'acqua a temperatura ambiente deve essere portata a una profondità di 2,2 chilometri sotto la superficie per raggiungere una pressione di 220 bar, " spiega Hjelstuen.

    Ma quando la temperatura dell'acqua si alza, la sua densità diminuisce. Ciò significa che dobbiamo andare ancora più in profondità per superare i 220 bar e raggiungere condizioni supercritiche. Se l'acqua è contaminata da gas e minerali, come accade sempre in un pozzo geotermico, la temperatura deve essere ancora più alta perché l'acqua diventi supercritica.

    Equipaggiamento estremo

    SINTEF utilizza elettronica e sensori con capacità estreme. Alcuni dei componenti sono di uso comune, mentre altri sono ancora in fase di prototipo. La sfida per i ricercatori norvegesi è stata quella di combinare i sensori e l'elettronica, e quindi sviluppare un software per computer che consenta ai componenti di funzionare insieme.

    "La nostra sfida è stata quella di trovare una combinazione di componenti esistenti in grado di funzionare in modo ottimale entro i nostri limiti in termini di lunghezza dello strumento, peso e diametro - anche in considerazione dell'ambiente che l'attrezzatura incontrerà nel pozzo, "dice Hjelstuen.

    Lo strumento è lungo 2,6 metri e pesa 50 chilogrammi, ma ha un diametro di soli 76 millimetri.

    "Per esempio, utilizziamo un microcontrollore che funziona a temperature fino a 300°C. Questo è disponibile solo come primo prototipo (campione tecnico). Quindi abbiamo lavorato a stretto contatto con il produttore per farlo funzionare come vogliamo, " Aggiunge.

    Pressione e temperatura intense

    Attualmente, la temperatura limite per l'elettronica è di circa 250°C, e questo significa che la gamma di componenti disponibili è molto ristretta. Anche il numero di batterie adatte non è elevato. Per esempio, le batterie più robuste sul mercato funzionano a temperature di soli 70-200°C e esploderebbero se sottoposte a una temperatura di 215 gradi. Quindi, realizzare apparecchiature di misurazione può essere un processo impegnativo.

    "Da quando abbiamo iniziato a perforare in condizioni di superficie normali, la temperatura in una giornata invernale può essere di appena 0°C per cominciare, che sale a oltre 400°C sul fondo di un pozzo. Affrontare tali fluttuazioni richiede enormi requisiti per l'attrezzatura. Abbiamo creato una sorta di "thermos rovesciato" in cui la temperatura interna viene mantenuta al di sotto dei 210 gradi in modo da ridurre lo sforzo sull'attrezzatura, "dice Hjelstuen.

    I sensori vengono testati e testati prima di essere spediti sul campo.

    "In ogni fase deve essere eseguita un'enorme quantità di test in modo da simulare il più fedelmente possibile l'ambiente che i nostri strumenti incontreranno nel pozzo. Tra l'altro abbiamo utilizzato un forno a Raufoss per testare la tecnologia a temperature fino a 450°C.

    Enorme potenziale

    Nel processo di sfruttare l'energia nell'acqua supercritica, i ricercatori hanno fatto buon uso dell'esperienza dell'industria petrolifera norvegese nella perforazione di pozzi petroliferi profondi. Lo sfruttamento del calore geotermico ha molto in comune con il recupero del petrolio. I tecnologi del petrolio sono quindi inclusi nel team. Però, considerando che da molti decenni siamo riusciti a sfruttare il potenziale delle risorse petrolifere, nessuno è ancora riuscito a sfruttare l'acqua supercritica.

    "Se riusciremo a sfruttare il calore geotermico, ce ne sarà abbastanza per fornire energia all'intera popolazione del pianeta per molte generazioni. Ci sono centrali nucleari dove l'acqua che soddisfa le condizioni per l'acqua supercritica viene alimentata tramite turbine, quindi sappiamo che possiamo riuscire a sfruttare l'energia in tale acqua una volta che siamo riusciti a estrarla."

    Nella discesa più profonda del progetto nella Terra, il gruppo di ricerca ha effettuato misurazioni a una profondità di 2810 metri. Qui la temperatura ha raggiunto i 443,6°C.


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