Khởi nghiệp Mỹ dùng sét nhân tạo phá đá, mở đường cho sản xuất hydro địa chất

Eden GeoPower, một startup có trụ sở tại Massachusetts, đang thử nghiệm công nghệ phóng xung điện cao thế xuống lòng đất để phá vỡ đá cứng, tạo ra mạng lưới vết nứt giúp nước tiếp cận các khoáng chất giàu sắt và kích thích phản ứng sinh ra hydro. Phương pháp "kích hoạt hydro địa chất" này được kỳ vọng sẽ mở ra một hướng đi mới cho ngành năng lượng sạch, bên cạnh việc khai thác hydro tự nhiên vốn còn nhiều bất định.

Công nghệ này, được gọi là "kích thích hồ chứa bằng điện" (electrical reservoir stimulation), hoạt động bằng cách hạ các điện cực lớn xuống các giếng khoan sâu hàng trăm mét, sau đó phóng một loạt xung điện áp cao - giống như những tia sét thu nhỏ dưới lòng đất. Sức nóng và áp lực tạo ra sẽ làm đá nứt vỡ thành một mạng lưới vết nứt phức tạp, thay thế cho phương pháp bẻ gãy thủy lực (fracking) truyền thống vốn gây tranh cãi vì rủi ro địa chấn và ô nhiễm nước ngầm.

Điện cực của Eden GeoPower được hạ xuống giếng khoan để phá vỡ đá ngầm bằng xung điện cao thế

Ý tưởng táo bạo: Biến lòng đất thành nhà máy hydro

Hydro từ lâu được coi là nhiên liệu sạch của tương lai, nhưng việc sản xuất hydro xanh từ điện phân nước vẫn quá đắt đỏ. Trong khi đó, hydro tự nhiên (geologic hydrogen) - loại khí được tạo ra từ phản ứng giữa nước và đá giàu sắt trong lòng đất - lại được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới, nhưng chưa có mỏ nào đạt quy mô khai thác thương mại.

Thay vì đi tìm các túi khí hydro tự nhiên, Eden GeoPower và một số startup khác theo đuổi một cách tiếp cận táo bạo hơn: tự tạo ra hydro ngay trong lòng đất. Ý tưởng là bơm nước vào các tầng đá giàu sắt, khiến sắt bị oxy hóa và giải phóng hydro như một sản phẩm phụ. Để làm được điều này, cần phải phá vỡ đá để tạo ra các kênh dẫn nước tiếp xúc với khoáng chất.

Paris Smalls, CEO 31 tuổi của Eden GeoPower, cho biết: "Với công nghệ này, bạn không cần phải tìm kiếm những điều kiện địa chất hoàn hảo. Bạn chỉ cần đá giàu sắt - thứ có ở khắp nơi trên vỏ Trái Đất".

Công nghệ phá đá bằng xung điện: Từ phòng thí nghiệm đến hiện trường

Phương pháp phá đá bằng xung điện (pulsed power) có nguồn gốc từ một thí nghiệm của nhà vật lý Liên Xô Lev Yutkin vào những năm 1950. Ông phát hiện ra rằng một tia sét đánh vào khúc gỗ dưới nước khiến nó phát nổ thay vì cháy. Hiện tượng này - gọi là hiệu ứng điện thủy lực - tạo ra sóng xung kích cực mạnh khi plasma giãn nở nhanh chóng.

Eden GeoPower đã phát triển ý tưởng này thành các máy phát Marx tùy chỉnh mang tên Zeus và Thor, có khả năng phóng ra xung điện lên tới vài trăm kilovolt. Kỹ thuật của họ tạo ra plasma ngay bên trong các khe ẩm nhỏ giữa các hạt khoáng vật, sau đó sóng xung kích làm đá nứt vỡ. Trong thử nghiệm tại một mỏ vàng-bạc bỏ hoang ở Colorado vào năm 2025, công nghệ này đã tăng độ thấm của đá lên gấp 10 lần.

"Chúng tôi về cơ bản tạo ra một kênh plasma ngay trong đá. Kênh này giãn nở cực kỳ nhanh, phá vỡ đá bằng sóng xung kích", Rafael Villamor-Lora, phó chủ tịch R&D tại Eden, giải thích.

Cuộc đua kích thích hydro địa chất

Eden GeoPower không phải là công ty duy nhất theo đuổi ý tưởng này. ARPA-E (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến về Năng lượng của Mỹ) đã chi 20 triệu USD cho 16 đội nghiên cứu vào năm 2024, trong đó có dự án của Eden nhận được 900.000 USD. Các hướng tiếp cận khác bao gồm:

• Sử dụng chất xúc tác để tăng tốc phản ứng sinh hydro, như phương pháp của Vema Hydrogen với hỗn hợp nước nóng và chất xúc tác bí mật
• Gia nhiệt dưới lòng đất với hệ thống lò sưởi của GeoKiln, giúp các tầng đá quá lạnh có thể sản xuất hydro
• Tiêm CO2 hòa tan trong nước theo phương pháp của Koloma, tạo ra các vi lỗ trên bề mặt đá và tăng diện tích tiếp xúc
• Bẻ gãy thủy lực truyền thống nhưng cải tiến, kết hợp với axit để làm sạch cặn khoáng

Tuy nhiên, các nghiên cứu từ phòng thí nghiệm tại Đại học Texas A&M cho thấy không có phương pháp nào đơn lẻ đủ hiệu quả để duy trì sản xuất hydro ở quy mô thương mại lâu dài. Giáo sư Rita Esuru Okoroafor nhận định: "Chúng ta sẽ cần rất nhiều phương pháp bẻ gãy, chất xúc tác, và sau đó là tái kích thích định kỳ".

Tương lai của năng lượng hydro: Còn nhiều thách thức

Mặc dù tiềm năng là rất lớn - theo tính toán của Douglas Wicks, cựu giám đốc chương trình tại ARPA-E, nếu khai thác thành công chỉ 1% lượng sắt trong vỏ Trái Đất, Mỹ có thể có đủ năng lượng cho hàng nghìn năm - nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi chưa có lời giải. Chi phí sản xuất, cách tinh chế, lưu trữ và vận chuyển hydro, các rủi ro môi trường và khung pháp lý đều đang ở giai đoạn sơ khai.

Eden GeoPower dự kiến sẽ hợp tác với một startup hydro địa chất (không tiết lộ tên) để tiến hành thử nghiệm thực địa vào cuối năm sau. Paris Smalls vẫn lạc quan: "Vấn đề không phải là chúng ta có thể sản xuất hydro hay không, mà là sản xuất đủ nhanh và đủ rẻ để mang lại hiệu quả kinh tế. Tôi thích theo đuổi những thứ mà người khác sợ hãi".

Nếu thành công, công nghệ này có thể tạo ra một ngành công nghiệp năng lượng hoàn toàn mới, giúp thế giới giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà không cần đến quá trình điện phân tốn kém hiện nay.