ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
هر چه در دل زمین فرو رویم دمای سنگ‌ها و صخره‌ها بیشتر و بیشتر می‌شود. آیا می‌توان از این منبع انرژی استفاده کرد؟ آیا می‌توان آب را در این «آتش‌خانه»ی نهان در زیر پایمان به بخار تبدیل کرد و آن‌گاه، توربین‌های مولد برق را با آن چرخاند؟ دانشمندان و مهندسان چند کشور، راه حل بهره‌برداری از انرژی زمین را یافته‌اند و اکنون، الکتریسیته‌ی لازم برای به کار انداختن هزاران وسیله‌ی برقی، از این طریق فراهم می‌شود.
یکی از عنوان‌های خوبی که برای تاریخچه‌ی الکتریسیته می‌توان انتخاب کرد، «صد و یک روش برای جوشاندن آب» است. حفاری و استخراج نفت و زغال سنگ، و شکافتن هسته‌ی اتم اورانیوم، فرایندهایی هستند که برای کسب انرژی و چرخاندن توربین‌ها به کار گرفته می‌شوند. به غیر از روش‌های آبی تولید نیرو (در نیروگاه‌های آبی، مانند سدها)، متداول‌ترین راه برای برقی کردن دنیای امروز، استفاده از بخار و آب داغ است. اما گرم شدن تدریجی آب و هوای زمینِ محبوس زیر پوشش گازهایی که موجب اثر گا‌خانه‌ای هستند، نابود شدن جنگل‌ها بر اثر بارش باران‌های اسیدی، و آلوده شدن جو زمین به پرتوهای رادیواکتیو، نقاط ضعفی هستند که ادامه‌ی تولید الکتریسیته در نیروگاه‌های مصرف کننده‌ی سوخت‌های فسیلی و هسته‌ای را در سایه‌ی تردید و ابهام قرار داده‌اند. توجه بشر به پاکی محیط زیست و نگرانی از آلودگی آن سبب شده است که شکل‌های دیگری از انرژی که تولید آن‌ها به سوزاندن سوخت‌های فسیلی یا به شکافت هسته‌ای وابستگی و نیاز ندارند دوباره مورد توجه قرار بگیرند. یکی از این انرژی‌های نو، گرمای محبوس در صخره‌های داغ و خشک در اعماق زمین است.
چهل و اندی سال پیش، مهندسان و زمین شناسان در نیومکزیکوی امریکا به این فکر افتادند که آب سرد را از طریق چاهی به عمق چندین کیلومتر به زیر زمین بفرستند، و از یک چاه دیگر همان آب را که به نقطه‌ی جوش رسیده است برای مصرف نیروگاه‌ها استخراج کنند. این روش «استخراج گرمای زمین» نامیده شد. در گذشته، رومی‌ها حمام‌های پیچ در پیچی بر روی چشمه‌های آب گرم ساخته بودند، و ایتالیایی‌ها نیز در سال 1904 میلادی نخستین نیروگاه را بر روی منابع طبیعی بخار آب، در نزدیکی پیزا، بنا کرده‌اند. هنگامی که در سال‌های دهه‌ی هفتاد میلادی مهندسان با استفاده از تجربه‌های به دست آمده در صنعت نفت توانستند چشمه‌های مصنوعی آب گرم ایجاد کنند، گروهی از متخصصان امریکایی، بهره‌برداری از دیگ‌های بخار زیرزمینی در زیر رشته‌ای از کوه‌های آتشفشانی در نیومکزیکو را آغاز کردند. در نزدیکی همین منطقه، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، که زادگاه بمب اتمی و محل انجام آزمایش‌های مربوط به جنگ ستارگان بود، در کنار چند آتش‌فشان قدیمی واقع شده است. در زیر آزمایشگاه بسترهایی از سنگ‌های گرانیتی مربوط به دوره‌ی زمین شناختی پری‌کامبرین (پیش از شش‌صد میلیون سال قبل) قرار دارد که از سنگ‌های آتشفشانی و رسوبی پوشیده شده است. در همین جا بود که نخستین چاه‌ها برای دست‌یابی به صخره‌های خشک و داغ حفر شد. طرح مورد نظر پژوهشگران، حفاری حلقه‌ای در زیر زمین بود تا از یک طرف آب سرد به داخل آن تزریق شود و از طرف دیگر بخار آب یا آب داغ لازم برای چرخاندن توربین‌ها از آن گرفته شود. در گذشته، برای به‌کارگیری انرژی زمین گرمایی، چاهی به مخزن بخار آب زیرزمینی حفر می‌کردند و مستقیماً از بخار آب طبیعی استفاده می‌کردند.
بیشتر گرمای پوسته‌ی خارجی کره‌ی زمین از تلاشی شکل‌های ناپایدار اورانیوم و پتاسیوم موجود در سنگ‌های زیر پوسته پدید می‌آید. در تمام کره‌ی زمین، دمای سنگ‌ها به ازای هر کیلومتر عمق به طور متوسط درحدود سی درجه‌ی سانتیگراد زیاد می‌شود. در جاهایی که ضخامت پوسته کم است یا در جاهایی که زمین بر اثر فعالیت آتش‌فشان‌ها یا بر اثر زمین‌لرزه آسیب دیده است، این افزایش دما برحسب عمق (شیب یا گرادیان دما) ممکن است زیادتر باشد.
محلی که پژوهشگران لوس آلاموس برای انجام آزمایش‌ها برگزیدند منطقه‌ای کوهستانی در فاصله‌ی چند کیلومتری از آزمایشگاه است. در این محل جریان آب‌های زیرزمینی (در عمق خیلی کم) لایه‌های رسوبی و سنگ‌های شکسته را نسبتاً سرد نگه می‌دارد. اما در زیر آب‌های زیر زمینی، شیب دمایی بسیار زیاد است. در لایه‌های گرانیتی که بسیار خشک و سخت هستند به ازای هر کیلومتر عمق، دما پنجاه و پنج درجه‌ی سانتیگراد زیاد می‌شود به طوری که در عمق سه هزار متری دما در حدود صد و هشتاد و پنج درجه‌ی سانتیگراد است.
در سال 1975 میلادی، مهندسان امریکایی، حفر یک جفت چاه در منطقه‌ی مورد نظر را آغاز کردند. یکی از چاه‌ها تا عمق سه هزار و شصت متری، و دیگری که دهانه‌ی آن چندین متر با اولی فاصله داشت، تا عمق دوهزار و نُه‌صد و سی متری حفر شد. شکل هر دو چاه به صورت «J» است که در ابتدا کاملاً عمودی است و در انتها انحنا پیدا می‌کند. قسمت منحنی چاه دوم، موسوم به «چاه تولید»، چند متر بالاتر از قسمت منحنی چاه اول، که چاه «تزریق» نامیده می‌شود، قرار دارد.
در سال 1977، با استفاده از تانکرهای مخصوص، آب را با فشار پانزده مگاپاسکال، معادل حدود صد و پنجاه اتمسفر، به داخل چاه «تزریق» تلمبه کردند. با اضافه شدن وزن ستون آب داخل چاه، حداکثر فشار وارد به دیواره‌های سنگی چاه به بیشتر از چهل مگاپاسکال می‌رسید. پژوهشگران قصد داشتند فشار لازم برای شکستن سنگ‌ها را پیدا کنند. (در حفاری نفت، از این روش شکستن سنگ‌ها برای آزاد کردن نفت از سنگ‌های رسوبی استفاده می‌کنند. این روش، شکافتن هیدرولیکی یا شکافتن آبی نامیده می‌شود.)
بیشتر سنگ‌ها به طور طبیعی دارای شکاف هستند و وقتی یک سیال را با فشار چندین مگا پاسکال به سنگ تزریق می‌کنند سنگ در امتداد شکاف طبیعی‌اش می‌لغزد و به اصطلاح قیچی می‌شود. اگر فشار به مدت کافی ادامه داشته باشد، یا اگر فشار زیادتر شود، یک سلسله زمین‌لرزه‌های کوچک اتفاق می‌افتد، و سنگ از محل شکاف می‌ترکد و جدا می‌شود. با استفاده از ژئوفون، که می‌تواند صداهای زیرزمینی را ردیابی کند می‌توان صدای ترکیدن سنگ‌ها را که شبیه به صدای بسته شدن یک در فولادی سنگین است شنید. پس از این که سنگ از محل شکاف‌ها قیچی می‌شود، با استفاده از خرده سنگ‌هایی که یا همراه با سیال تزریق می‌شوند یا بر اثر باز شدن شکاف از سنگ اصلی جدا شده‌اند، می‌توان شکاف را باز نگه داشت.
برای ایجاد حلقه‌های بسته‌ی لازم برای به جریان انداختن آب، مهندسان، سیستم را طوری طراحی می‌کنند که باز شدن شکاف‌ها و لغزش سنگ‌ها از میله‌ی چاه پایینی و در نقطه‌ای در بین قسمت افقی و قسمت عمودی چاه شروع شود و به طور عمودی گسترش یابد. شکاف‌ها در بین دو میله‌ی چاه پایینی و بالایی امتداد می‌یابند تا به میله‌ی چاه بالایی (چاه تولید) برسند. درواقع با ایجاد این شکاف‌ها بین دو چاه تزریق و تولید، مسیر جریان آب به شکل یک حلقه‌ی بسته‌ی کامل می‌شود. آبی که به چاه تزریق تلمبه می‌شود از میان این شکاف‌ها می‌گذرد (بالا می‌رود) و گرمای سنگ‌های گرانیتی بین دو چاه را جذب می‌کند، درست همان‌گونه که در اتوموبیل، آب خنک کننده پیش از وارد شدن در رادیاتور، در مجراهای ویژه‌ای داخل تنه‌ی موتور جاری می‌شود و گرمای موتور را جذب می‌کند.
در زمانی که آب تحت حداقل فشار لازم برای شکافتن سنگ – که در حدود نُه مگا پاسکال است – در مسیر خود جریان دارد دمای آن ممکن است به دویست و پنجاه درجه‌ی سانتیگراد برسد. ترکیبی از فشار، همرفت، و چگال‌تر بودن آب سردی که پشت آب گرم جریان دارد، سبب می‌شود که آب داغ به طرف سطح زمین رانده شود.
اگرچه روش شکافتن هیدرولیکی مربوط به سال 1947 میلادی است اما هرگز در سنگ‌های گرانیتی و در عمق‌های زیاد به کار گرفته نشده بود تا این که در لوس آلاموس تجربه شد. عملیاتی که بر روی نخستین حلقه‌ی بسته انجام شد تجربه‌ی موفقی بود. به مدت نُه ماه، در سال‌های 1977 و 1978 میلادی، آب صد و سی و پنج درجه از چاه تولید بیرون می‌آمد. میزان گرمای به دست آمده از این چاه، در حدود هجده هزار مگاژول در ساعت، یا پنج هزار کیلووات (توان گرمایی)، بود که برای تأمین توان مصرفی تقریباً پانصد خانه کافی است.
برای اثبات این که چنین سیستمی برای مصرف انرژی زمین گرمایی می‌تواند الکتریسیته‌ای با قیمت مناسب و قابل رقابت با روش‌های دیگر تولید کند، در سال 1983 همان گروه از دانشمندان امریکایی اقدام به حفر دو چاه جدید تا عمق چهار هزار و چهار صد متری کردند. در این عمق، دمای سنگ‌ها به سی‌صد و بیست و هفت درجه‌ی سانتیگراد می‌رسد. با پیش‌رفت عملیات حفاری چاه، گرمای شدید سبب «سوختن» مته‌ها و یاتاقان‌های دستگاه حفاری می‌شد. اما این مشکل در برابر رفتار غیرمنتظره و ناشناخته‌ی گرانیت، در درجه‌ی دوم اهمیت قرار گرفت.
فشارهایی که بر سنگ‌های زیر سطح زمین وارد می‌شود ناایزوتروپ (ناهمسانگرد یا نامتناجس) است، یعنی در جهت‌های مختلف، مقدار فشار متفاوت است. طبق نظریه‌ی «شکافتن هیدرولیکی» شکاف‌ها (چه طبیعی، چه تحریک شده یا مصنوعی) باید در امتداد عمود بر حداقل تنش زمین شکل بگیرند؛ در نهایت، شکاف‌ها در جهت حداقل مقاومت زمین باز می‌شوند. به نظر زمین شناسان، در عمق چهار کیلومتری منطقه‌ی حفاری چاه‌های جدید، حداقل تنش در جهت افقی، موازی با سطح زمین، و از شرق به غرب، وارد می‌شود. به این ترتیب، ترکاندن سنگ‌ها با چند میلیون لیتر آب در فشاری بیشتر از هشتاد مگا پاسکال، معمولاً باید شکاف‌هایی در جهت شمال به جنوب ایجاد کرده باشد. بنابراین مهندسان تصمیم گرفتند یک ردیف از این شکاف‌ها برای اتصال دو میله چاه به یک‌دیگر ایجاد کنند. اما بر خلاف پیش‌بینی زمین شناسان، گرانیت به صورت شاخه‌ای ترک خورد، یعنی شکاف‌ها از محل تزریق در جهت‌های مختلف پیش‌روی کردند. همین رفتار بود که برای زمین شناسان غیرمنتظره و ناشناخته بود.
سپس زمین شناسانِ مشغول در لوس آلاموس پی بردند که چند صد میلیون سال پیش وقتی که گدازه‌های آتشفشانی (ماگما) در نزدیکی این محل فوران کرده و سرد شده، شکاف‌هایی در بخش گرانیتی ایجاد شده است و در نتیجه تنش‌های متفاوتی در سنگ‌های زیر زمین پدید آمده و باقی مانده است. جهت تنشِ حداقل، از شرق به غرب است و زاویه‌ی شصت درجه با امتداد عمود دارد. از آن زمان تاکنون، حرکت صفحه‌های تکتونیکی سبب تغییر مکان لایه‌های زیرزمینی و تنش‌های طبیعی شده است. بنابراین هنگامی که زمین شناسان سنگ گرانیت را تحت فشار قرار می‌دهند، در جهت پیش‌بینی شده ترک نمی‌خورد.
بیشتر شکل‌های انرژی نو، مانند انرژی‌های موجی و نوری، یک «چشم اسفندیار» دارند، یعنی نقطه ضعفی دارند که آن‌ها را از رقابت نزدیک با شکل‌های متداول انرژی باز می‌دارد. چشم اسفندیار انرژی زمین گرمایی نیز همین چگونگی شکافتن گرانیت است. تا زمانی که زمین شناسان نتوانند شکافتن و ترک خوردن گرانیت را کنترل کنند، استفاده از گرمای سنگ‌های داغ و خشک زیر زمین به حد کمال نخواهد رسید.
در آینده، حفاران یکی از چاه‌ها را به طور کامل حفر خواهند کرد، اما تا زمانی که بهترین مسیر پایانی چاه دوم را پیدا نکرده‌اند، حفاری آن را کامل نخوهند کرد. در این مرحله، چاه دوم و چند چاه شناسایی دیگر را به ژئوفون و دیگر حس‌گرهای لرزه‌نگاری مجهز می‌کنند. هنگامی که در چاه اول فرایند شکافتن هیدرولیکی انجام می‌شود، علامت‌های لرزه‌نگاری گسیل می‌شوند؛ درست همان‌گونه که نور در عبور از منشور می‌شکند و انحراف مسیر پیدا می‌کند، این علامت‌ها نیز در برخورد با شکاف‌ها «خم می‌شوند». زمین شناسان با توجه به زمان رسیدن علامت‌ها به حس‌گرها و دامنه‌ی علامت‌ها، می‌توانند نقشه‌ی میدان شکاف‌های سنگ‌ها را به دقت ترسیم کنند. حفاران با استفاده از این نقشه‌ها، مسیر چاه دوم را طوری ادامه می‌دهند که در میدان شکاف‌ها واقع شود.
تیم متخصصان لوس آلاموس از این روش برای حفاری مجدد چاه تزریق چهار هزار و چهار صد متری استفاده کردند به طوری که چاه در میدان شکاف‌ها قرار بگیرد. موضوع دیگری که متخصصان این تیم به آن پی بردند این بود که اگر آب را با سرعت کم‌تری به داخل چاه تزریق تلمبه کنند و اجازه بدهند که تحریک شیارها (برای بازکردن آن‌ها) به تدریج انجام شود، می‌توانند شکاف‌های بزرگ‌تری پدید بیاورند. در آغاز، راندمان حلقه‌ی جدید بسیار پایین بود. در نخستین آزمایش تزریق آب، بیست و شش درصد از آب از بین رفت. آب که به میزان بیست لیتر در ثانیه به چاه تلمبه می‌شد در تمام جهت‌ها نشت می‌کرد. اما عاقبت اتلاف آب به خودی خود کاهش یافت و آبی که دمای آن صد و نود درجه‌ی سانتیگراد بود از چاهِ تولید بالا آمد و به سطح زمین رسید. به نظر مهندسان، این آب برای تولید دو هزار کیلو وات الکتریسیته، یا در حدود نُه هزار کیلووات گرما کافی است. نکته‌ی بسیار جالب برای مهندسان این بود که بازده گرمای این حلقه تقریباً دو برابر حلقه (جفت چاه) اول بود.
موضوع دیگری که تیم پژوهشگران درباره ی آن کار می‌کردند، تکمیل کردن تأسیسات بالای چاه‌ها برای تولید انرژی بود. یکی از بخش‌های اساسی این تأسیسات مبدل گرمایی است: آب از این مبدل می‌گذرد و انرژی خود را به سیالی مانند فرئون که نقطه جوش پایینی دارد منتقل می‌کند؛ فرئون به گاز تبدیل می‌شود و توربین را می‌چرخاند. آب پس از خروج از مبدل، دوباره به چاه تزریق برگردانده می‌شود.
سیستمی که در آن بیست تا سی چاه به طور متوالی و در یک میدان گرانشی حفر می‌شود می‌تواند پنجاه مگا وات الکتریسیته، یعنی تقریباً الکتریسیته ی لازم برای شهری با جمعیت دویست هزار نفر را تأمین کند. بازده این سیستم زمین گرمایی کم است، به طوری که فقط پانزده تا بیست درصد انرژی طبیعی را به الکتریسیته تبدیل می‌کند، چون در این سیستم دمای آب تا دویست و پنجاه درجه‌ی سانتیگراد بالا می‌رود. در نیروگاه‌های زغال سنگی، نفتی، و هسته‌ای آب تا حدود چهارصد درجه‌ی سانتیگراد گرم می‌شود. بازده این نیروگاه‌ها تقریباً دو برابر نیروگاه‌های زمین گرمایی است. اما مزیت انرژی زیر زمینی، پایان ناپذیری آن است. زمین شناسان حساب کرده‌اند که در عمق هفت کیلومتری زیر خاک امریکا، هفده میلیون میلیون میلیون ژول انرژی گرمایی ذخیره شده است. البته باید گفت که انرژی‌ای که یک میلیون زنبور عسل هنگام بال زدن ایجاد می‌کنند نیز زیاد است، اما وقتی نمی‌توان آن را به کار گرفت چه سودی می‌تواند داشته باشد. در مورد انرژی زیر زمینی نیز باید گفت که بیشتر این انرژی، یا ارزش استخراج را ندارد یا از لحاظ مالی و فنی در محدوده‌ی امکانات فعلی ما نیست. محاسبه و تخمین واقع‌بینانه‌تری که پژوهشگران انجام داده‌اند نشان می‌دهد که فقط یک و چهار دهم درصد از کل این انرژی برای تولید الکتریسیته مناسب است، چون در سنگ‌هایی ذخیره شده است که دمایی بیش از سی‌صد و شصت درجه‌ی سانتیگراد دارند. هفت دهم درصد دیگر از کل انرژی زیر زمینی نیز که در سنگ‌هایی با دمای بین هشتاد تا صد و هشتاد درجه‌ی سانتیگراد ذخیره شده است قابل استفاده برای گرم کردن خانه‌ها و کارخانه‌هاست. اما همین مقدار تقریبیِ دو درصد می‌تواند چهار هزار برابر انرژی مصرفی سالانه‌ی امریکا را تأمین کند.
تولید نیرو با استفاده از انرژی زمین گرمایی از لحاظ حفظ محیط زیست نیز کارنامه‌ی خوبی دارد. در آغاز بهره‌برداری از چاه‌ها، میدان سنگی گرانیت مانند اسفنج عمل می‌کند و هزاران لیتر آب تزریقی را در خود جذب می‌کند. در منطقه‌ی لوس آلاموس، در مدت نٌه ماه بهره‌برداری از چاه‌ها، فقط هفت درصد از آب تزریقی به چاه اول در لایه‌های زیرزمینی نشت کرده بود. این میزان نشتی برای کارخانه‌ای که تولید اقتصادی دارد میزان قابل قبولی است. از آن‌جا که مقدار مواد جامد حل شده در آب مصرفی در این چاه‌ها فقط در حدود سه هزار قسمت در میلیون است، از لحاظ آلودگی آب‌ها نیز زیانی به همراه ندارد. مدیر پروژه‌ی لوس آلاموس گفت که آبی که در این چاه‌ها گردش دارد آشامیدنی است. او خود این آب را آشامید و بیان کرد اگرچه بوی بدی دارد اما مزه‌ای مناسب دارد. مقدار فلوئور در این آب از حد مجاز برای مصرف دائمی کمی بیشتر است.
برای حفاری چاه در لایه‌های گرانیت تا عمق چندین کیلومتر، مهندسان و زمین شناسان مجبور به اختراع روش‌های تازه‌ای شدند. برای مثال، آن‌ها روشی برای نقشه‌برداری از چینه‌ها (لایه‌ها) و شکاف‌های سنگ‌های زیر زمین پیدا کردند که بسیار شبیه به روشی است که در پزشکی برای مطالعه‌ی طرح بافت‌ها، استخوان‌ها، و سیاه‌رگ‌ها به کار می‌برند. روش ابداعی، نوعی لرزه‌نگاری است که آن را «توموگرافی لرزه‌ای» می‌نامند. فرستنده‌ی لرزه‌ای، که آن را در داخل یک چاه آزمایشی به پایین می‌فرستند، دو نوع موج با بسامد دو کیلو هرتز گسیل می‌کند: یکی موج‌های بُرشی (که به سبب شکل حرکت موج در داخل سنگ، موج‌های S نیز نامیده می‌شوند) و دیگری موج‌های فشاری یا تراکمی (یا موج‌های P، که به تناوب سبب تراکم و انبساط سنگ می‌شود). سیگنال‌های این فرستنده پس از عبور از سنگ‌ها به گیرنده‌ای که در یک چاه دیگر در نزدیکی چاه اول قرار دارد می‌رسند. با پایین و بالا بردن فرستنده و گیرنده در چاه‌های آزمایشی، تصویری سه بعدی از سنگ‌های واقع در بین دو چاه تهیه می‌کنند.
تیم پژوهشگران در ضمن کار پی بردند که تصحیح مسیر چاه در ضمن حفاری کار ساده ای نیست. برای این کار آن‌ها مجبور شدند موتوری به داخل چاه بفرستند و آن را در انتهای لوله‌ی حفاری نصب کنند تا به عنوان یک هادی (راهنما) عمل کند. کارشناسان وزارت انرژی امریکا برای پیش‌بینی مسیر شکافتن سنگ ها در زیر زمین، یک برنامه‌ی کامپیوتری نوشتند. این برنامه براساس آزمایش‌هایی نوشته شده بود که تیمی از کارشناسان وزارت انرژی در صحرای نوادا انجام داده بودند و با ایجاد شکاف در سنگ‌ها نقشه‌ی طرح شکاف‌ها را تهیه کرده بودند. درست همان‌گونه که رادیوگراف‌ها در عکس‌برداری با اشعه‌ی ایکس مسیر حرکت محلول سولفات باریوم را در بدن بیمار ردیابی می‌کنند در این آزمایش‌ها نیز با تزریق سیمان در شکاف‌ها به چگونگی طرح آن‌ها پی می‌برند به این ترتیب که پس از «گرفتن» سیمان، حفاران زمین را حفر می‌کنند تا شکاف‌ها را پیدا کنند. این آزمایش‌ها به زمین شناسان نشان داد که آنچه در چگونگی گسترش شکاف‌ها تعیین کننده است، نه استحکام و سفتی سنگ‌ها، بلکه تنش موضعی است. برای جلوگیری از بیرون زدن چندین میلیون لیتر آب پرفشاری که در چاه اول تزریق می‌شود، چاه را با درپوشی از مواد پلیمری آب‌بندی می‌کنند. این روپوش که به شکل گوه در نزدیکی کف چاه قرار داده می‌شود، مانند درپوش لاستیکی بِشِر آزمایشگاهی است. آب تزریقی از طریق لوله‌ای عمودی که از وسط درپوش عبور داده شده است به داخل چاه تلمبه می‌شود. درپوش چاه نیروی بالابرنده‌ی زیادی – تا یک میلیون نیوتون – را می‌تواند تحمل کند.
تجربه‌های انجام شده با سنگ داغ و خشک، تصورات متداول در باره‌ی چگونگی شکافتن گرانیت را دگرگون کرده است. از جمله معلوم شده است که سنگ گرانیت همگن نیست و عملیات شکافتن هیدرولیکی الزاماً به ایجاد چند شکاف صفحه‌ای بزرگ، دقیقاً در امتداد اثر حداکثر تنش منجر نمی‌شود، بلکه آب تزریق شده به چاه، سبب وارد شدن نیروهایی به شبکه‌ی تارعنکبوتی شکاف‌های طبیعی می‌شود که ممکن است این شکاف‌های صدها میلیون ساله را در جهت‌های مختلف باز کند.
انگلیسی‌ها تاکنون ده‌ها میلیون پوند در پروژه‌ی استخراج انرژی زمین گرمایی از سنگ‌های خشک و داغ هزینه کرده‌اند. عملیات در سال 1977 میلادی آغاز شد و در فاز اول پروژه، چهار چاه سی‌صد متری حفر شد. از این چاه‌ها بیشتر برای کسب تجربه در زمینه‌ی حفاری و روش تزریق آب استفاده شد. فاز دوم پروژه در سال 1980 با حفاری دو چاه دیگر عملی شد. شیب دمایی در گرانیت‌های بلوری این چاه‌ها بین سی تا چهل درجه‌ی سانتیگراد در هر کیلومتر عمق بود. تقریباً سه سال طول کشید تا چاه‌ها به عمق دو کیلومتری رسیدند. دمای سنگ در این عمق در حدود هشتاد درجه‌ی سانتیگراد است که نزدیک به حداقل دمای لازم برای یک سیستم اقتصادی است. پژوهشگران انگلیسی برای شکافتن سنگ‌های اطراف میله‌ی چاه از مواد منفجره استفاده کردند – کاری که امریکایی‌ها لازم نمی‌دانند – و سپس برای گسترش شکاف‌ها بیست و شش میلیون لیتر آب را با فشار چهارده مگا پاسکال به چاه تزریق کردند. مدیر انگلیسی این پروژه گفت که ما در آن زمان نمی‌دانستیم که تحریک شکاف‌ها با فشار آب چگونه خواهد بود. پیش از تجربه‌های عملی امریکایی‌ها معتقد بودند که می‌توان چند شکاف عمودی بی‌نقص در سنگ ایجاد کرد. اما بعداً هر دو گروه پی بردند که چگونگی شکافتن سنگ‌ها بر اثر تحریک‌های هیدرولیکی مصنوعی کاملاً قابل پیش‌بینی نیست.
هنگامی که سه سال بعد بهره‌برداری آزمایشی از چاه‌ها آغاز شد، نتایجِ ناامید کننده‌ای به دست آمد. در حدود هفتاد درصد از آب تزریق شده به چاه هدر می‌رفت و جریان آب تزریقی با مقاومت زیادی روبه‌رو بود و بنا بر این لازم بود که فشار تزریق افزایش داده شود. پژوهشگران انگلیسی با استفاده از حس‌گرهای لرزه‌ای توانستند نقشه‌ی شکاف‌ها را تهیه کنند. این نقشه نشان می‌داد که نخستین عملیات شکافتن هیدرولیکی، توده‌ای از شکاف‌های عمودی ایجاد کرده است. با جا دادن 825 میلیون متر مکعب آب در خود، این میدان شکاف‌ها بزرگ‌ترین میدانی بود که تا آن زمان ایجاد شده بود، اما اشکالی که داشت این بود که شکاف‌ها به جای این که رو به بالا و به سمت چاه تولید شده باشند، در سمت پایین چاه تزریق ایجاد شده بودند. یک سال بعد، پژوهشگران انگلیسی چاه تزریق دیگری با عمقی بیشتر از چاه اول حفر کردند تا به میدان شکاف‌ها برسند. دمای سنگ‌ها در کف چاه جدید در حدود صد درجه‌ی سانتیگراد بود. برای شکافتن هیدرولیکی سنگ‌های گرانیتی در این چاه، به جای آب از محلول نوعی پلیمر در آب استفاده کردند که سیالیت آن کم‌تر از آب است. این کار سبب محدود کردن گسترش شکاف‌های طبیعی و نگه داشتن اندازه‌ی میدان شکاف‌ها در حدی مناسب شد. از آن زمان به بعد سیستم در حال کار کردن بود و دستاوردهای علمی و تجربی زیادی برای پژوهشگران انگلیسی به همراه داشت. برای مثال، پس از مدتی معلوم شد که یک کانال معین در داخل میدان شکاف‌ها، سریع‌تر از بقیه‌ی جاها سرد شده است. پژوهشگران فکر می‌کنند که به وجود آمدن این کانال سرد در سنگ‌های داغ اجتناب ناپذیر است. بنابراین برای بالا نگاه داشتنِ بازده باید راه‌هایی برای دور زدن این کانال و ایجاد کنار گذر پیدا می‌شد. در منطقه‌ی کار پژوهشگران انگلیسی، احداث تأسیسات اقتصادی بهره برداری از انرژی زمین گرمایی به حفر چاه‌هایی به عمق شش کیلومتر نیاز داشت تا به دمایی در حدود دویست و ده درجه‌ی سانتیگراد دست یافته شود. بازده الکتریکی این‌چنین تأسیساتی در حدود شش مگاوات می‌بود.
در پی امریکایی‌ها و انگلیسی‌ها، پژوهشگران آلمان و فرانسه نیز به تجربه در این زمینه ترغیب شدند. این دو گروه در یک تلاش مشترک حفاری چاه‌هایی به عمق دو کیلومتر را در فرانسه آغاز کردند. ژاپنی‌ها نیز برای حفر چاه‌هایی به عمق هزار و هشت‌صد متر برنامه‌ریزی کردند. روسیه، که عمیق‌ترین چاه‌های جهان را برای به‌کارگیری ذخایر بخار آب زمین گرمایی و برای پژوهش در دیگر زمینه‌های علمی حفر کرده، چند چاه نیز برای تجربه در زمینه‌ی به‌کارگیری و مهار انرژی گرمایی سنگ‌های داغ و خشک، حفر کرد.
شبه جزیره‌ی کامچاتکا در شرقی‌ترین سرحدات روسیه، جای‌گاه نخستین نیروگاه زمین گرمایی مدرن است: کارخانه‌ای یازده مگاواتی که در سال 1967 میلادی راه‌اندازی شد. به جای تلمبه کردن آب سرد به سوی سنگ‌های داغ و خشک و سپس بازیابی آن به صورت بخار برای چرخاندن توربین‌های نیروگاه، مهندسان روس توانستند مخازن غول‌پیکر بخار آب زیرزمینی را مستقیماً به کار گیرند. سپس ساختمان نخستین چهار واحد پنجاه مگا واتی برای نیروگاه زمین گرمایی جدیدتر در پای آتشفشانی در همان ناحیه آغاز شد. اما مشکل بزرگ این پروژه تراوش گازهایی مانند دی اکسید کربن، دی اکسید نیتروژن، و دی اکسید گوگرد از زمین بود که آلوده کننده‌ی محیط هستند. پژوهشگران و مهندسینی که بررسی‌های مقدماتی را انجام می‌دادند مجبور بودند دو هفته کار کنند و دو هفته برای استراحت به پایگاهی دور از منطقه بروند.
دمای زیاد سنگ‌های زیر زمینی و محلول‌های خورنده‌ای که گازها به وجود می‌آورند بسیاری از تجهیزات را از بین می‌برند. بنابراین لازم بود که در انتخاب مواد و مصالح و ساختن تجهیزات و ابزار حفاری دقت زیادی شود. مهندسان، این نیروگاه را طوری طراحی کردند که به طور اتوماتیک کار کند، اما البته لازم بود که برای تعمیرات همیشه عده‌ای در نزدیکی محل حاضر باشند. این نیروگاه، آب گرم و الکتریسیته‌ی مصرفی شبه جزیره‌ی کامچانکا را تأمین می‌کند که با این کار در مصرف چهار صد هزار تُن نفت صرفه جویی به عمل آمده است.
بر اساس نتایج به دست آمده از چاه‌های آزمایشی در نقاط دیگری از شرق دور روسیه، پژوهشگران تخمین می‌زنند که پتانسیل زمین گرمایی این قسمت از روسیه حداقل سه هزار مگا وات است که دو هزار مگا وات آن در شبه جزیره‌ی کامچانکاست. در غرب روسیه نیز یک نیروگاه زمین گرمایی ده مگاواتی احداث شده است. شیب گرمایی سنگ‌ها در منطقه‌ی زیر این نیروگاه چهل درجه‌ی سانتیگراد به ازای هر کیلومتر عمق است. در حال حاضر پتانسیل زمین گرمایی در روسیه را صد و پنجاه هزار مگاوات تخمین می‌زنند که در حدود سه برابر ظرفیت تولید الکتریسیته در انگلستان و ولز است. اما با یافتن مخازن دیگری از بخار آب زیر زمینی در ضمن حفاری چاه‌های عمیق‌تر در جستجوی نفت، این رقم در حال افزایش است.
در شبه جزیره‌ی کولا، در منطقه‌ی مرکزی شمالگان در روسیه، متخصصان روس یکی از عمیق‌ترین چاه‌های جهان با عمق تقریباً چهارده کیلومتر را حفر کردند. با توجه به واکنش افکار عمومی جهان در برابر انرژی هسته‌ای و تجربه‌هایی که روسیه در روش‌های حفاری عمیق به دست آورده است کارشناسان و برنامه‌ریزان این کشور معتقدند که در سالیان آتی می‌توانند به طور گسترده‌ای از ذخایر انرژی زمین گرمایی استفاده کنند. برای پروژه‌ی کولا، مهندسان تجهیزات حفاری ویژه‌ای طراحی کردند که در آن فقط سرمته‌ی حفاری می‌چرخد و برای حفاری به گشتاور کم تری نیاز دارد. در هر شبانه روز ده تا دوازده متر حفاری انجام می‌شد. روسیه برای حفاری شبکه‌ای از این چاه‌های بسیار عمیق در سراسر کشور و احداث نیروگاه‌های هزار مگاواتی بر روی آن‌ها برنامه‌ریزی کرده است. کارشناسان برنامه‌ریزی روس تخمین زده‌اند که این شبکه کم‌تر از یک درصد از منابع زمین گرمایی شناخته شده در این کشور را مصرف می‌کند.
یکی از عنوان‌های خوبی که برای تاریخچه‌ی الکتریسیته می‌توان انتخاب کرد، «صد و یک روش برای جوشاندن آب» است. حفاری و استخراج نفت و زغال سنگ، و شکافتن هسته‌ی اتم اورانیوم، فرایندهایی هستند که برای کسب انرژی و چرخاندن توربین‌ها به کار گرفته می‌شوند. به غیر از روش‌های آبی تولید نیرو (در نیروگاه‌های آبی، مانند سدها)، متداول‌ترین راه برای برقی کردن دنیای امروز، استفاده از بخار و آب داغ است. اما گرم شدن تدریجی آب و هوای زمینِ محبوس زیر پوشش گازهایی که موجب اثر گا‌خانه‌ای هستند، نابود شدن جنگل‌ها بر اثر بارش باران‌های اسیدی، و آلوده شدن جو زمین به پرتوهای رادیواکتیو، نقاط ضعفی هستند که ادامه‌ی تولید الکتریسیته در نیروگاه‌های مصرف کننده‌ی سوخت‌های فسیلی و هسته‌ای را در سایه‌ی تردید و ابهام قرار داده‌اند. توجه بشر به پاکی محیط زیست و نگرانی از آلودگی آن سبب شده است که شکل‌های دیگری از انرژی که تولید آن‌ها به سوزاندن سوخت‌های فسیلی یا به شکافت هسته‌ای وابستگی و نیاز ندارند دوباره مورد توجه قرار بگیرند. یکی از این انرژی‌های نو، گرمای محبوس در صخره‌های داغ و خشک در اعماق زمین است.
چهل و اندی سال پیش، مهندسان و زمین شناسان در نیومکزیکوی امریکا به این فکر افتادند که آب سرد را از طریق چاهی به عمق چندین کیلومتر به زیر زمین بفرستند، و از یک چاه دیگر همان آب را که به نقطه‌ی جوش رسیده است برای مصرف نیروگاه‌ها استخراج کنند. این روش «استخراج گرمای زمین» نامیده شد. در گذشته، رومی‌ها حمام‌های پیچ در پیچی بر روی چشمه‌های آب گرم ساخته بودند، و ایتالیایی‌ها نیز در سال 1904 میلادی نخستین نیروگاه را بر روی منابع طبیعی بخار آب، در نزدیکی پیزا، بنا کرده‌اند. هنگامی که در سال‌های دهه‌ی هفتاد میلادی مهندسان با استفاده از تجربه‌های به دست آمده در صنعت نفت توانستند چشمه‌های مصنوعی آب گرم ایجاد کنند، گروهی از متخصصان امریکایی، بهره‌برداری از دیگ‌های بخار زیرزمینی در زیر رشته‌ای از کوه‌های آتشفشانی در نیومکزیکو را آغاز کردند. در نزدیکی همین منطقه، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، که زادگاه بمب اتمی و محل انجام آزمایش‌های مربوط به جنگ ستارگان بود، در کنار چند آتش‌فشان قدیمی واقع شده است. در زیر آزمایشگاه بسترهایی از سنگ‌های گرانیتی مربوط به دوره‌ی زمین شناختی پری‌کامبرین (پیش از شش‌صد میلیون سال قبل) قرار دارد که از سنگ‌های آتشفشانی و رسوبی پوشیده شده است. در همین جا بود که نخستین چاه‌ها برای دست‌یابی به صخره‌های خشک و داغ حفر شد. طرح مورد نظر پژوهشگران، حفاری حلقه‌ای در زیر زمین بود تا از یک طرف آب سرد به داخل آن تزریق شود و از طرف دیگر بخار آب یا آب داغ لازم برای چرخاندن توربین‌ها از آن گرفته شود. در گذشته، برای به‌کارگیری انرژی زمین گرمایی، چاهی به مخزن بخار آب زیرزمینی حفر می‌کردند و مستقیماً از بخار آب طبیعی استفاده می‌کردند.
محلی که پژوهشگران لوس آلاموس برای انجام آزمایش‌ها برگزیدند منطقه‌ای کوهستانی در فاصله‌ی چند کیلومتری از آزمایشگاه است. در این محل جریان آب‌های زیرزمینی (در عمق خیلی کم) لایه‌های رسوبی و سنگ‌های شکسته را نسبتاً سرد نگه می‌دارد. اما در زیر آب‌های زیر زمینی، شیب دمایی بسیار زیاد است. در لایه‌های گرانیتی که بسیار خشک و سخت هستند به ازای هر کیلومتر عمق، دما پنجاه و پنج درجه‌ی سانتیگراد زیاد می‌شود به طوری که در عمق سه هزار متری دما در حدود صد و هشتاد و پنج درجه‌ی سانتیگراد است.
در سال 1975 میلادی، مهندسان امریکایی، حفر یک جفت چاه در منطقه‌ی مورد نظر را آغاز کردند. یکی از چاه‌ها تا عمق سه هزار و شصت متری، و دیگری که دهانه‌ی آن چندین متر با اولی فاصله داشت، تا عمق دوهزار و نُه‌صد و سی متری حفر شد. شکل هر دو چاه به صورت «J» است که در ابتدا کاملاً عمودی است و در انتها انحنا پیدا می‌کند. قسمت منحنی چاه دوم، موسوم به «چاه تولید»، چند متر بالاتر از قسمت منحنی چاه اول، که چاه «تزریق» نامیده می‌شود، قرار دارد.
در سال 1977، با استفاده از تانکرهای مخصوص، آب را با فشار پانزده مگاپاسکال، معادل حدود صد و پنجاه اتمسفر، به داخل چاه «تزریق» تلمبه کردند. با اضافه شدن وزن ستون آب داخل چاه، حداکثر فشار وارد به دیواره‌های سنگی چاه به بیشتر از چهل مگاپاسکال می‌رسید. پژوهشگران قصد داشتند فشار لازم برای شکستن سنگ‌ها را پیدا کنند. (در حفاری نفت، از این روش شکستن سنگ‌ها برای آزاد کردن نفت از سنگ‌های رسوبی استفاده می‌کنند. این روش، شکافتن هیدرولیکی یا شکافتن آبی نامیده می‌شود.)
بیشتر سنگ‌ها به طور طبیعی دارای شکاف هستند و وقتی یک سیال را با فشار چندین مگا پاسکال به سنگ تزریق می‌کنند سنگ در امتداد شکاف طبیعی‌اش می‌لغزد و به اصطلاح قیچی می‌شود. اگر فشار به مدت کافی ادامه داشته باشد، یا اگر فشار زیادتر شود، یک سلسله زمین‌لرزه‌های کوچک اتفاق می‌افتد، و سنگ از محل شکاف می‌ترکد و جدا می‌شود. با استفاده از ژئوفون، که می‌تواند صداهای زیرزمینی را ردیابی کند می‌توان صدای ترکیدن سنگ‌ها را که شبیه به صدای بسته شدن یک در فولادی سنگین است شنید. پس از این که سنگ از محل شکاف‌ها قیچی می‌شود، با استفاده از خرده سنگ‌هایی که یا همراه با سیال تزریق می‌شوند یا بر اثر باز شدن شکاف از سنگ اصلی جدا شده‌اند، می‌توان شکاف را باز نگه داشت.
برای ایجاد حلقه‌های بسته‌ی لازم برای به جریان انداختن آب، مهندسان، سیستم را طوری طراحی می‌کنند که باز شدن شکاف‌ها و لغزش سنگ‌ها از میله‌ی چاه پایینی و در نقطه‌ای در بین قسمت افقی و قسمت عمودی چاه شروع شود و به طور عمودی گسترش یابد. شکاف‌ها در بین دو میله‌ی چاه پایینی و بالایی امتداد می‌یابند تا به میله‌ی چاه بالایی (چاه تولید) برسند. درواقع با ایجاد این شکاف‌ها بین دو چاه تزریق و تولید، مسیر جریان آب به شکل یک حلقه‌ی بسته‌ی کامل می‌شود. آبی که به چاه تزریق تلمبه می‌شود از میان این شکاف‌ها می‌گذرد (بالا می‌رود) و گرمای سنگ‌های گرانیتی بین دو چاه را جذب می‌کند، درست همان‌گونه که در اتوموبیل، آب خنک کننده پیش از وارد شدن در رادیاتور، در مجراهای ویژه‌ای داخل تنه‌ی موتور جاری می‌شود و گرمای موتور را جذب می‌کند.
در زمانی که آب تحت حداقل فشار لازم برای شکافتن سنگ – که در حدود نُه مگا پاسکال است – در مسیر خود جریان دارد دمای آن ممکن است به دویست و پنجاه درجه‌ی سانتیگراد برسد. ترکیبی از فشار، همرفت، و چگال‌تر بودن آب سردی که پشت آب گرم جریان دارد، سبب می‌شود که آب داغ به طرف سطح زمین رانده شود.
اگرچه روش شکافتن هیدرولیکی مربوط به سال 1947 میلادی است اما هرگز در سنگ‌های گرانیتی و در عمق‌های زیاد به کار گرفته نشده بود تا این که در لوس آلاموس تجربه شد. عملیاتی که بر روی نخستین حلقه‌ی بسته انجام شد تجربه‌ی موفقی بود. به مدت نُه ماه، در سال‌های 1977 و 1978 میلادی، آب صد و سی و پنج درجه از چاه تولید بیرون می‌آمد. میزان گرمای به دست آمده از این چاه، در حدود هجده هزار مگاژول در ساعت، یا پنج هزار کیلووات (توان گرمایی)، بود که برای تأمین توان مصرفی تقریباً پانصد خانه کافی است.
برای اثبات این که چنین سیستمی برای مصرف انرژی زمین گرمایی می‌تواند الکتریسیته‌ای با قیمت مناسب و قابل رقابت با روش‌های دیگر تولید کند، در سال 1983 همان گروه از دانشمندان امریکایی اقدام به حفر دو چاه جدید تا عمق چهار هزار و چهار صد متری کردند. در این عمق، دمای سنگ‌ها به سی‌صد و بیست و هفت درجه‌ی سانتیگراد می‌رسد. با پیش‌رفت عملیات حفاری چاه، گرمای شدید سبب «سوختن» مته‌ها و یاتاقان‌های دستگاه حفاری می‌شد. اما این مشکل در برابر رفتار غیرمنتظره و ناشناخته‌ی گرانیت، در درجه‌ی دوم اهمیت قرار گرفت.
فشارهایی که بر سنگ‌های زیر سطح زمین وارد می‌شود ناایزوتروپ (ناهمسانگرد یا نامتناجس) است، یعنی در جهت‌های مختلف، مقدار فشار متفاوت است. طبق نظریه‌ی «شکافتن هیدرولیکی» شکاف‌ها (چه طبیعی، چه تحریک شده یا مصنوعی) باید در امتداد عمود بر حداقل تنش زمین شکل بگیرند؛ در نهایت، شکاف‌ها در جهت حداقل مقاومت زمین باز می‌شوند. به نظر زمین شناسان، در عمق چهار کیلومتری منطقه‌ی حفاری چاه‌های جدید، حداقل تنش در جهت افقی، موازی با سطح زمین، و از شرق به غرب، وارد می‌شود. به این ترتیب، ترکاندن سنگ‌ها با چند میلیون لیتر آب در فشاری بیشتر از هشتاد مگا پاسکال، معمولاً باید شکاف‌هایی در جهت شمال به جنوب ایجاد کرده باشد. بنابراین مهندسان تصمیم گرفتند یک ردیف از این شکاف‌ها برای اتصال دو میله چاه به یک‌دیگر ایجاد کنند. اما بر خلاف پیش‌بینی زمین شناسان، گرانیت به صورت شاخه‌ای ترک خورد، یعنی شکاف‌ها از محل تزریق در جهت‌های مختلف پیش‌روی کردند. همین رفتار بود که برای زمین شناسان غیرمنتظره و ناشناخته بود.
بیشتر شکل‌های انرژی نو، مانند انرژی‌های موجی و نوری، یک «چشم اسفندیار» دارند، یعنی نقطه ضعفی دارند که آن‌ها را از رقابت نزدیک با شکل‌های متداول انرژی باز می‌دارد. چشم اسفندیار انرژی زمین گرمایی نیز همین چگونگی شکافتن گرانیت است. تا زمانی که زمین شناسان نتوانند شکافتن و ترک خوردن گرانیت را کنترل کنند، استفاده از گرمای سنگ‌های داغ و خشک زیر زمین به حد کمال نخواهد رسید.
در آینده، حفاران یکی از چاه‌ها را به طور کامل حفر خواهند کرد، اما تا زمانی که بهترین مسیر پایانی چاه دوم را پیدا نکرده‌اند، حفاری آن را کامل نخوهند کرد. در این مرحله، چاه دوم و چند چاه شناسایی دیگر را به ژئوفون و دیگر حس‌گرهای لرزه‌نگاری مجهز می‌کنند. هنگامی که در چاه اول فرایند شکافتن هیدرولیکی انجام می‌شود، علامت‌های لرزه‌نگاری گسیل می‌شوند؛ درست همان‌گونه که نور در عبور از منشور می‌شکند و انحراف مسیر پیدا می‌کند، این علامت‌ها نیز در برخورد با شکاف‌ها «خم می‌شوند». زمین شناسان با توجه به زمان رسیدن علامت‌ها به حس‌گرها و دامنه‌ی علامت‌ها، می‌توانند نقشه‌ی میدان شکاف‌های سنگ‌ها را به دقت ترسیم کنند. حفاران با استفاده از این نقشه‌ها، مسیر چاه دوم را طوری ادامه می‌دهند که در میدان شکاف‌ها واقع شود.
تیم متخصصان لوس آلاموس از این روش برای حفاری مجدد چاه تزریق چهار هزار و چهار صد متری استفاده کردند به طوری که چاه در میدان شکاف‌ها قرار بگیرد. موضوع دیگری که متخصصان این تیم به آن پی بردند این بود که اگر آب را با سرعت کم‌تری به داخل چاه تزریق تلمبه کنند و اجازه بدهند که تحریک شیارها (برای بازکردن آن‌ها) به تدریج انجام شود، می‌توانند شکاف‌های بزرگ‌تری پدید بیاورند. در آغاز، راندمان حلقه‌ی جدید بسیار پایین بود. در نخستین آزمایش تزریق آب، بیست و شش درصد از آب از بین رفت. آب که به میزان بیست لیتر در ثانیه به چاه تلمبه می‌شد در تمام جهت‌ها نشت می‌کرد. اما عاقبت اتلاف آب به خودی خود کاهش یافت و آبی که دمای آن صد و نود درجه‌ی سانتیگراد بود از چاهِ تولید بالا آمد و به سطح زمین رسید. به نظر مهندسان، این آب برای تولید دو هزار کیلو وات الکتریسیته، یا در حدود نُه هزار کیلووات گرما کافی است. نکته‌ی بسیار جالب برای مهندسان این بود که بازده گرمای این حلقه تقریباً دو برابر حلقه (جفت چاه) اول بود.
موضوع دیگری که تیم پژوهشگران درباره ی آن کار می‌کردند، تکمیل کردن تأسیسات بالای چاه‌ها برای تولید انرژی بود. یکی از بخش‌های اساسی این تأسیسات مبدل گرمایی است: آب از این مبدل می‌گذرد و انرژی خود را به سیالی مانند فرئون که نقطه جوش پایینی دارد منتقل می‌کند؛ فرئون به گاز تبدیل می‌شود و توربین را می‌چرخاند. آب پس از خروج از مبدل، دوباره به چاه تزریق برگردانده می‌شود.
سیستمی که در آن بیست تا سی چاه به طور متوالی و در یک میدان گرانشی حفر می‌شود می‌تواند پنجاه مگا وات الکتریسیته، یعنی تقریباً الکتریسیته ی لازم برای شهری با جمعیت دویست هزار نفر را تأمین کند. بازده این سیستم زمین گرمایی کم است، به طوری که فقط پانزده تا بیست درصد انرژی طبیعی را به الکتریسیته تبدیل می‌کند، چون در این سیستم دمای آب تا دویست و پنجاه درجه‌ی سانتیگراد بالا می‌رود. در نیروگاه‌های زغال سنگی، نفتی، و هسته‌ای آب تا حدود چهارصد درجه‌ی سانتیگراد گرم می‌شود. بازده این نیروگاه‌ها تقریباً دو برابر نیروگاه‌های زمین گرمایی است. اما مزیت انرژی زیر زمینی، پایان ناپذیری آن است. زمین شناسان حساب کرده‌اند که در عمق هفت کیلومتری زیر خاک امریکا، هفده میلیون میلیون میلیون ژول انرژی گرمایی ذخیره شده است. البته باید گفت که انرژی‌ای که یک میلیون زنبور عسل هنگام بال زدن ایجاد می‌کنند نیز زیاد است، اما وقتی نمی‌توان آن را به کار گرفت چه سودی می‌تواند داشته باشد. در مورد انرژی زیر زمینی نیز باید گفت که بیشتر این انرژی، یا ارزش استخراج را ندارد یا از لحاظ مالی و فنی در محدوده‌ی امکانات فعلی ما نیست. محاسبه و تخمین واقع‌بینانه‌تری که پژوهشگران انجام داده‌اند نشان می‌دهد که فقط یک و چهار دهم درصد از کل این انرژی برای تولید الکتریسیته مناسب است، چون در سنگ‌هایی ذخیره شده است که دمایی بیش از سی‌صد و شصت درجه‌ی سانتیگراد دارند. هفت دهم درصد دیگر از کل انرژی زیر زمینی نیز که در سنگ‌هایی با دمای بین هشتاد تا صد و هشتاد درجه‌ی سانتیگراد ذخیره شده است قابل استفاده برای گرم کردن خانه‌ها و کارخانه‌هاست. اما همین مقدار تقریبیِ دو درصد می‌تواند چهار هزار برابر انرژی مصرفی سالانه‌ی امریکا را تأمین کند.
تولید نیرو با استفاده از انرژی زمین گرمایی از لحاظ حفظ محیط زیست نیز کارنامه‌ی خوبی دارد. در آغاز بهره‌برداری از چاه‌ها، میدان سنگی گرانیت مانند اسفنج عمل می‌کند و هزاران لیتر آب تزریقی را در خود جذب می‌کند. در منطقه‌ی لوس آلاموس، در مدت نٌه ماه بهره‌برداری از چاه‌ها، فقط هفت درصد از آب تزریقی به چاه اول در لایه‌های زیرزمینی نشت کرده بود. این میزان نشتی برای کارخانه‌ای که تولید اقتصادی دارد میزان قابل قبولی است. از آن‌جا که مقدار مواد جامد حل شده در آب مصرفی در این چاه‌ها فقط در حدود سه هزار قسمت در میلیون است، از لحاظ آلودگی آب‌ها نیز زیانی به همراه ندارد. مدیر پروژه‌ی لوس آلاموس گفت که آبی که در این چاه‌ها گردش دارد آشامیدنی است. او خود این آب را آشامید و بیان کرد اگرچه بوی بدی دارد اما مزه‌ای مناسب دارد. مقدار فلوئور در این آب از حد مجاز برای مصرف دائمی کمی بیشتر است.
برای حفاری چاه در لایه‌های گرانیت تا عمق چندین کیلومتر، مهندسان و زمین شناسان مجبور به اختراع روش‌های تازه‌ای شدند. برای مثال، آن‌ها روشی برای نقشه‌برداری از چینه‌ها (لایه‌ها) و شکاف‌های سنگ‌های زیر زمین پیدا کردند که بسیار شبیه به روشی است که در پزشکی برای مطالعه‌ی طرح بافت‌ها، استخوان‌ها، و سیاه‌رگ‌ها به کار می‌برند. روش ابداعی، نوعی لرزه‌نگاری است که آن را «توموگرافی لرزه‌ای» می‌نامند. فرستنده‌ی لرزه‌ای، که آن را در داخل یک چاه آزمایشی به پایین می‌فرستند، دو نوع موج با بسامد دو کیلو هرتز گسیل می‌کند: یکی موج‌های بُرشی (که به سبب شکل حرکت موج در داخل سنگ، موج‌های S نیز نامیده می‌شوند) و دیگری موج‌های فشاری یا تراکمی (یا موج‌های P، که به تناوب سبب تراکم و انبساط سنگ می‌شود). سیگنال‌های این فرستنده پس از عبور از سنگ‌ها به گیرنده‌ای که در یک چاه دیگر در نزدیکی چاه اول قرار دارد می‌رسند. با پایین و بالا بردن فرستنده و گیرنده در چاه‌های آزمایشی، تصویری سه بعدی از سنگ‌های واقع در بین دو چاه تهیه می‌کنند.
تجربه‌های انجام شده با سنگ داغ و خشک، تصورات متداول در باره‌ی چگونگی شکافتن گرانیت را دگرگون کرده است. از جمله معلوم شده است که سنگ گرانیت همگن نیست و عملیات شکافتن هیدرولیکی الزاماً به ایجاد چند شکاف صفحه‌ای بزرگ، دقیقاً در امتداد اثر حداکثر تنش منجر نمی‌شود، بلکه آب تزریق شده به چاه، سبب وارد شدن نیروهایی به شبکه‌ی تارعنکبوتی شکاف‌های طبیعی می‌شود که ممکن است این شکاف‌های صدها میلیون ساله را در جهت‌های مختلف باز کند.
انگلیسی‌ها تاکنون ده‌ها میلیون پوند در پروژه‌ی استخراج انرژی زمین گرمایی از سنگ‌های خشک و داغ هزینه کرده‌اند. عملیات در سال 1977 میلادی آغاز شد و در فاز اول پروژه، چهار چاه سی‌صد متری حفر شد. از این چاه‌ها بیشتر برای کسب تجربه در زمینه‌ی حفاری و روش تزریق آب استفاده شد. فاز دوم پروژه در سال 1980 با حفاری دو چاه دیگر عملی شد. شیب دمایی در گرانیت‌های بلوری این چاه‌ها بین سی تا چهل درجه‌ی سانتیگراد در هر کیلومتر عمق بود. تقریباً سه سال طول کشید تا چاه‌ها به عمق دو کیلومتری رسیدند. دمای سنگ در این عمق در حدود هشتاد درجه‌ی سانتیگراد است که نزدیک به حداقل دمای لازم برای یک سیستم اقتصادی است. پژوهشگران انگلیسی برای شکافتن سنگ‌های اطراف میله‌ی چاه از مواد منفجره استفاده کردند – کاری که امریکایی‌ها لازم نمی‌دانند – و سپس برای گسترش شکاف‌ها بیست و شش میلیون لیتر آب را با فشار چهارده مگا پاسکال به چاه تزریق کردند. مدیر انگلیسی این پروژه گفت که ما در آن زمان نمی‌دانستیم که تحریک شکاف‌ها با فشار آب چگونه خواهد بود. پیش از تجربه‌های عملی امریکایی‌ها معتقد بودند که می‌توان چند شکاف عمودی بی‌نقص در سنگ ایجاد کرد. اما بعداً هر دو گروه پی بردند که چگونگی شکافتن سنگ‌ها بر اثر تحریک‌های هیدرولیکی مصنوعی کاملاً قابل پیش‌بینی نیست.
هنگامی که سه سال بعد بهره‌برداری آزمایشی از چاه‌ها آغاز شد، نتایجِ ناامید کننده‌ای به دست آمد. در حدود هفتاد درصد از آب تزریق شده به چاه هدر می‌رفت و جریان آب تزریقی با مقاومت زیادی روبه‌رو بود و بنا بر این لازم بود که فشار تزریق افزایش داده شود. پژوهشگران انگلیسی با استفاده از حس‌گرهای لرزه‌ای توانستند نقشه‌ی شکاف‌ها را تهیه کنند. این نقشه نشان می‌داد که نخستین عملیات شکافتن هیدرولیکی، توده‌ای از شکاف‌های عمودی ایجاد کرده است. با جا دادن 825 میلیون متر مکعب آب در خود، این میدان شکاف‌ها بزرگ‌ترین میدانی بود که تا آن زمان ایجاد شده بود، اما اشکالی که داشت این بود که شکاف‌ها به جای این که رو به بالا و به سمت چاه تولید شده باشند، در سمت پایین چاه تزریق ایجاد شده بودند. یک سال بعد، پژوهشگران انگلیسی چاه تزریق دیگری با عمقی بیشتر از چاه اول حفر کردند تا به میدان شکاف‌ها برسند. دمای سنگ‌ها در کف چاه جدید در حدود صد درجه‌ی سانتیگراد بود. برای شکافتن هیدرولیکی سنگ‌های گرانیتی در این چاه، به جای آب از محلول نوعی پلیمر در آب استفاده کردند که سیالیت آن کم‌تر از آب است. این کار سبب محدود کردن گسترش شکاف‌های طبیعی و نگه داشتن اندازه‌ی میدان شکاف‌ها در حدی مناسب شد. از آن زمان به بعد سیستم در حال کار کردن بود و دستاوردهای علمی و تجربی زیادی برای پژوهشگران انگلیسی به همراه داشت. برای مثال، پس از مدتی معلوم شد که یک کانال معین در داخل میدان شکاف‌ها، سریع‌تر از بقیه‌ی جاها سرد شده است. پژوهشگران فکر می‌کنند که به وجود آمدن این کانال سرد در سنگ‌های داغ اجتناب ناپذیر است. بنابراین برای بالا نگاه داشتنِ بازده باید راه‌هایی برای دور زدن این کانال و ایجاد کنار گذر پیدا می‌شد. در منطقه‌ی کار پژوهشگران انگلیسی، احداث تأسیسات اقتصادی بهره برداری از انرژی زمین گرمایی به حفر چاه‌هایی به عمق شش کیلومتر نیاز داشت تا به دمایی در حدود دویست و ده درجه‌ی سانتیگراد دست یافته شود. بازده الکتریکی این‌چنین تأسیساتی در حدود شش مگاوات می‌بود.
در پی امریکایی‌ها و انگلیسی‌ها، پژوهشگران آلمان و فرانسه نیز به تجربه در این زمینه ترغیب شدند. این دو گروه در یک تلاش مشترک حفاری چاه‌هایی به عمق دو کیلومتر را در فرانسه آغاز کردند. ژاپنی‌ها نیز برای حفر چاه‌هایی به عمق هزار و هشت‌صد متر برنامه‌ریزی کردند. روسیه، که عمیق‌ترین چاه‌های جهان را برای به‌کارگیری ذخایر بخار آب زمین گرمایی و برای پژوهش در دیگر زمینه‌های علمی حفر کرده، چند چاه نیز برای تجربه در زمینه‌ی به‌کارگیری و مهار انرژی گرمایی سنگ‌های داغ و خشک، حفر کرد.
شبه جزیره‌ی کامچاتکا در شرقی‌ترین سرحدات روسیه، جای‌گاه نخستین نیروگاه زمین گرمایی مدرن است: کارخانه‌ای یازده مگاواتی که در سال 1967 میلادی راه‌اندازی شد. به جای تلمبه کردن آب سرد به سوی سنگ‌های داغ و خشک و سپس بازیابی آن به صورت بخار برای چرخاندن توربین‌های نیروگاه، مهندسان روس توانستند مخازن غول‌پیکر بخار آب زیرزمینی را مستقیماً به کار گیرند. سپس ساختمان نخستین چهار واحد پنجاه مگا واتی برای نیروگاه زمین گرمایی جدیدتر در پای آتشفشانی در همان ناحیه آغاز شد. اما مشکل بزرگ این پروژه تراوش گازهایی مانند دی اکسید کربن، دی اکسید نیتروژن، و دی اکسید گوگرد از زمین بود که آلوده کننده‌ی محیط هستند. پژوهشگران و مهندسینی که بررسی‌های مقدماتی را انجام می‌دادند مجبور بودند دو هفته کار کنند و دو هفته برای استراحت به پایگاهی دور از منطقه بروند.
دمای زیاد سنگ‌های زیر زمینی و محلول‌های خورنده‌ای که گازها به وجود می‌آورند بسیاری از تجهیزات را از بین می‌برند. بنابراین لازم بود که در انتخاب مواد و مصالح و ساختن تجهیزات و ابزار حفاری دقت زیادی شود. مهندسان، این نیروگاه را طوری طراحی کردند که به طور اتوماتیک کار کند، اما البته لازم بود که برای تعمیرات همیشه عده‌ای در نزدیکی محل حاضر باشند. این نیروگاه، آب گرم و الکتریسیته‌ی مصرفی شبه جزیره‌ی کامچانکا را تأمین می‌کند که با این کار در مصرف چهار صد هزار تُن نفت صرفه جویی به عمل آمده است.
بر اساس نتایج به دست آمده از چاه‌های آزمایشی در نقاط دیگری از شرق دور روسیه، پژوهشگران تخمین می‌زنند که پتانسیل زمین گرمایی این قسمت از روسیه حداقل سه هزار مگا وات است که دو هزار مگا وات آن در شبه جزیره‌ی کامچانکاست. در غرب روسیه نیز یک نیروگاه زمین گرمایی ده مگاواتی احداث شده است. شیب گرمایی سنگ‌ها در منطقه‌ی زیر این نیروگاه چهل درجه‌ی سانتیگراد به ازای هر کیلومتر عمق است. در حال حاضر پتانسیل زمین گرمایی در روسیه را صد و پنجاه هزار مگاوات تخمین می‌زنند که در حدود سه برابر ظرفیت تولید الکتریسیته در انگلستان و ولز است. اما با یافتن مخازن دیگری از بخار آب زیر زمینی در ضمن حفاری چاه‌های عمیق‌تر در جستجوی نفت، این رقم در حال افزایش است.
در شبه جزیره‌ی کولا، در منطقه‌ی مرکزی شمالگان در روسیه، متخصصان روس یکی از عمیق‌ترین چاه‌های جهان با عمق تقریباً چهارده کیلومتر را حفر کردند. با توجه به واکنش افکار عمومی جهان در برابر انرژی هسته‌ای و تجربه‌هایی که روسیه در روش‌های حفاری عمیق به دست آورده است کارشناسان و برنامه‌ریزان این کشور معتقدند که در سالیان آتی می‌توانند به طور گسترده‌ای از ذخایر انرژی زمین گرمایی استفاده کنند. برای پروژه‌ی کولا، مهندسان تجهیزات حفاری ویژه‌ای طراحی کردند که در آن فقط سرمته‌ی حفاری می‌چرخد و برای حفاری به گشتاور کم تری نیاز دارد. در هر شبانه روز ده تا دوازده متر حفاری انجام می‌شد. روسیه برای حفاری شبکه‌ای از این چاه‌های بسیار عمیق در سراسر کشور و احداث نیروگاه‌های هزار مگاواتی بر روی آن‌ها برنامه‌ریزی کرده است. کارشناسان برنامه‌ریزی روس تخمین زده‌اند که این شبکه کم‌تر از یک درصد از منابع زمین گرمایی شناخته شده در این کشور را مصرف می‌کند.
