在波士顿郊区一处宁静的马场边缘，牧场与树林交界处，一台起重机正将一根巨大的电极缓缓送入钻孔。这根半米长的圆柱形电极，末端装有铜制触角以确保与孔壁良好接触，它穿过层层松软砂岩，向数百米深处的古老山脉坚硬根基延伸。那里岩石致密，几乎没有供水或气体流动的裂缝——但这一切即将改变。
不远处，另一根相同的电极被固定在同等深度的另一个钻孔中。地面上，两台高压发电机通过电缆与两根电极相连，随即发出一连串脉冲放电。
嗞！……嗞！……嗞！……嗞！……嗞！……
每一次放电在地面上听来都像是微弱的闷响，仿佛地下深处的一道微型闪电。两极之间的岩石迅速升温，压力骤增，随后岩石突然裂开，形成蛛网状的裂缝网络。
总部位于马萨诸塞州的初创公司Eden GeoPower将这项技术称为"电力储层改造"，公司的口号是："我们用电击碎岩石。"
Eden的研究人员希望，这项破岩技术未来能够助力矿产开采、开发地热能源，或为碳封存创造地质储存空间。但还有一个更令人期待的应用方向，可能开创全新的能源生产类别：在地下直接生产氢气。
氢能经济的梦想可以追溯到20世纪70年代。当时，石油短缺与化石燃料污染问题日益严峻，人们开始憧憬汽车、轮船、飞机和工业机械都以氢气代替碳基燃料运行。氢气常被誉为清洁燃料，因为无论燃烧还是在燃料电池中消耗，排放物只有水和热量。然而，目前制氢所需的能量多于其释放的能量，而最廉价、最普遍的制氢方式是将蒸汽与甲烷反应——而甲烷是一种强效温室气体。
用可再生能源驱动电解槽分解水，可以制造零碳氢气，但在大多数情况下，这一过程成本过高，难以实现经济效益——这一现实在2020年代初戳破了氢能热潮的泡沫。2024年，全球氢气需求量约达1亿吨，其所含能量仅占全球年能耗的约3%。其中大部分被用作石油精炼、化肥和塑料生产的化工原料。
清洁制氢的重重困境，促使许多创业者和科学家转而在地下寻找氢气。过去五年间，全球数十家公司开始勘探地下储存的氢气，即所谓的天然氢或地质氢。但由于商业规模的开采尚未得到验证，Eden及少数其他初创公司和研究团队正在追逐一个更为大胆的方案：人工制造地质氢。
这种方法被称为"激发地质氢"或"工程氢"，其原理是将地下岩层转化为巨型制氢工厂。通常的做法是向富铁岩石中注水，水与铁发生氧化反应，并以氢气作为副产品释放出来。Eden正在进行的破岩操作，正是为了构建水流通道，使水能够到达含铁矿物。
激发制氢的概念太过新颖，目前几乎没有人有机会对其进行测试。支持者认为，如果这一方法可行——这是个很大的"如果"——它将为人类提供近乎无限的长期能源。而验证它的方式只有一个：开始破岩。
氢是宇宙中最简单、最丰富的元素，是恒星与星系的构成物质。地质学家早已知道，地球通过天然的水岩反应会产生氢气，但长期以来，这一现象被视为一种地质奇观。由于氢气极轻，大多数专家认为它会通过地下的孔隙和裂缝全部逸散，不会以有用的数量积聚。
这一认知在19至20世纪开始动摇。前俄罗斯帝国和苏联的研究人员报告称，氢气从矿井和油井中渗出。但在化石燃料开采的狂热浪潮中，这些观察大多被忽视或遗忘。科学家后来发现，海底热液喷口也会喷出氢气，并维持着土耳其奇美拉山等地的"永恒之火"——据说古代运动员曾在那里点燃火炬，用于第一届奥运会。
1987年，马里村庄布拉凯布古的居民在钻取水井时，注意到孔中吹出一股气流。当地传说，一名工人俯身查看，嘴里还叼着一根点燃的香烟，气体瞬间被点燃，燃起耀眼的蓝色火焰。
工人们封住了这口井，它就此沉寂了25年。直到2012年，一位马里石油天然气勘探商确认地下蕴藏着大量氢气储层。这家勘探公司（现名Hydroma）随后建造了一座小型发电站，将氢气转化为电力供村民使用。此后，澳大利亚、加拿大、美国等地的初创公司纷纷开始寻找更多氢气储层。到2025年，大型跨国石油和矿业公司也开始加入这场竞赛。
迄今为止，全球已钻探数百口勘探井。尽管研究人员记录到广泛分布的氢气矿藏，但尚无一处被证明能够以商业化所需的速率和规模持续产气。"我们打了很多孔，但没有人找到那口喷涌的大井——至少没有人公开说找到了。"美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）前项目主任、现任地质氢顾问道格拉斯·威克斯说道。
威克斯表示，2022年他在ARPA-E任职期间，被时任该机构研究员的艾米莉·耶迪纳克"拉进了地质氢的兔子洞"，后者当时正努力说服同事认真对待这一领域。"我曾是最彻底的怀疑者，"威克斯说。电解槽的天价成本让他对清洁氢能的可行性持怀疑态度。此外，他认为，如果地球真的蕴藏着大量氢气，那么数千年来一直在挖掘自然资源的人类，早就应该发现了。
但在与地质学家交流后——他们指出，人们过去之所以没有发现氢气，是因为根本没有在找——威克斯改变了看法。"我突然顿悟：地质氢不仅仅是一种积聚，它是一种化学反应，"他说，"既然是化学反应，就可以被激发。"
寻找大规模地质氢积聚，需要碰巧遇上一套"恰到好处"的地质条件：既要有已经或正在大量产氢的富铁源岩，又要有能够储存从源岩迁移而来的大量气体的多孔储层岩，还要有位于储层上方、能将气体封存于地下的致密盖层岩。
而激发制氢则不需要这种完美的地质组合，只需要富铁岩石，然后自行产生氢气即可。
"这类岩石无处不在，"威克斯说，"如果考虑地壳钻探范围内的铁含量，可供开采的氢气潜力高达数千万亿吨。即便我们在美国仅有1%的成功率，也足以为经济运转提供数千年的能源。"一个粗略估算让他相信，激发地质氢的成本完全可以与甲烷制氢相竞争。"如果我们把技术做对了，"他总结道，"这将是一件大事。"
威克斯并非第一个提出这一构想的人，但他是第一个为其拨付重大资金的人。2024年，在他的主导下，ARPA-E向16个致力于推进激发技术与相关研究的团队拨款2000万美元。获奖方案包括：利用流体压力或机械刺激破岩、向岩石注入催化剂以加速产氢反应，以及调控地下原生微生物群落以提升产量。Eden的电力破岩项目是唯一一个基于电力的方案，获得了90万美元资助。
Eden的CEO帕里斯·斯莫尔斯于2017年创立了这家公司，彼时他还是麻省理工学院23岁的研究生。攻读土木与环境工程博士期间，他研究电力对岩石强度的影响，并对增强型地热系统产生了浓厚兴趣。这类系统需要对高温干燥岩石进行压裂，以便循环水流提取热量，通常采用水力压裂（即"压裂"）技术——这是一种借鉴自油气行业的方法，通过注入高压流体实现破岩。
水力压裂因可能引发地震和地下水污染而饱受争议，许多地区已明令禁止。从工程角度看，这种方法也不够精准：形成的裂缝大而难以控制。"你无法在需要的地方制造足够多的裂缝，因为水最终只会沿着原有裂缝流动，"斯莫尔斯解释道。他从博士研究中了解到，电力可以形成更广泛、更精细的裂缝网络，使地热系统在降低环境风险的同时产出更多热量。
不久后，斯莫尔斯结识了科罗拉多大学博尔德分校的地质微生物学家亚历克西斯·坦普尔顿。坦普尔顿通过研究消耗氢气的微生物及产生氢气的矿物转化过程，成为地质氢领域的专家。"早期有很多人对能否通过工程手段从岩石中制造氢气感兴趣，"坦普尔顿回忆道，"一些最具潜力的岩石具备所有正确的化学条件，但它们需要水。没有人愿意进行水力压裂，所以大家都在想：'那我们怎么把水送进去？'"
坦普尔顿意识到，Eden的技术或许正是答案。她同意以兼职首席地球化学家的身份加入公司，这一职位她从2023年持续到2025年。在此期间，Eden在阿曼的一处油田开展了首次试点实验——那里也是坦普尔顿自己进行氢气研究的地方。初始装置使用直流电，在两口井的电极之间持续输送数十千瓦的电流。当斯莫尔斯的团队在由松软白垩质碳酸盐岩构成的石油储层中进行测试时，岩石轻易破裂，石油产量提升了30%。
但当他们在坚硬岩石中重复同样的测试时——而这类岩石正是制氢和地热系统所需的——岩石几乎纹丝不动。于是团队重新回到起点，找到了解决方案：脉冲电力。
利用脉冲电力——即短促、集中的电能爆发——来破碎物体的构想，起源于苏联时期俄罗斯20世纪中叶的一项实验。据说，物理学家兼发明家列夫·尤特金在一场雷雨中，目睹闪电击中水中的一根木头。木头没有像在空气中那样燃烧，而是像被炸药炸开一样爆裂。深感好奇的尤特金试图在实验室中重现这一奇观：他将一个餐盘放入水箱，插入两根电极，释放一个高压脉冲。他发现，产生的电火花瞬间将电极之间的水分子电离成等离子体通道，随后迅速膨胀，产生的冲击波将餐盘击碎。
尤特金在其1955年出版的著作《电液压效应》中描述了这一现象，并提出了许多富有想象力的应用设想，例如清洁管道或击碎肾结石。这些设想启发了今天实际使用的工具，包括电液压钻机、碎岩机，以及一种名为"碎石机"的医疗设备。此后数十年间，脉冲电力系统不断进步，实验技术也日趋成熟，对其中复杂物理过程的理解愈发深入。到2020年代，当斯莫尔斯的团队开始研究将其用于地下破岩时，这项技术已经成熟，尽管这一特定应用在实验室之外几乎尚未被探索。
Eden的科学家首先在拇指大小的硬岩圆柱体上进行脉冲电力实验。与将样品浸入水中不同，他们将一对电极置于圆柱体两端，直接向岩石施加脉冲。采用这种从斯莫尔斯及其他研究者的成果中提炼出的干式脉冲方法，团队发现可以在矿物颗粒之间微小的潮湿孔隙中形成等离子体。"我们实际上是在岩石内部产生等离子体通道，"Eden研发副总裁拉斐尔·比利亚莫尔-洛拉解释道。随着脉冲次数增加，这一迅速膨胀的通道——如同尤特金当年的实验——会引发冲击波，将岩石击碎。
为了将这项技术推向实地应用，Eden需要足够高的电压来穿透数米厚的坚硬岩石。最直接的解决方案是马克斯发生器——它通过将多个电容器先并联充电、再快速放电，将低压直流电转化为高压脉冲。（马克斯发生器常用于高能物理实验和模拟输电线路遭受雷击的场景。）Eden定制了两台设备，分别以雷神宙斯和托尔命名，两台合计可释放数十万伏的电涌。
这一次，方案奏效了。2025年，在科罗拉多州一处废弃的金银矿中，Eden使用托尔成功压裂了一根坚硬的火成岩柱，使其渗透率提升了十倍。
今年3月，公司开始在马萨诸塞州那处马场建立测试场地，以进一步完善系统，并收集更多关于该技术在不同地质环境中表现的数据。工程师们还在设计更强大的发电机，以释放更强、更快的脉冲。由于宙斯和托尔的耗电量极低——相当于运行一两台烤面包机——储存足够能量以发射一次最大脉冲大约需要一分钟，而穿透约10米坚硬岩石则需要约100次脉冲。因此，在更长距离或多个深度进行压裂可能需要数小时乃至数天。这意味着Eden最大的成本是人工，而非能源。
斯莫尔斯表示，Eden已与一家地质氢初创公司签署协议——他拒绝透露对方名称——计划在一个激发制氢的现场试点项目中演示电力压裂技术，最早可能于明年底启动。Eden需要证明其技术能够以盈利的速率和成本帮助从地下提取氢气。
"我们能否产出氢气，这一点毫无疑问，"比利亚莫尔-洛拉说，"问题在于能否以足够快的速度产出，使其具备经济可行性。"在实验室中，Eden研究人员发现，与未压裂的岩石样品相比，使用脉冲电力技术可使岩石样品的产氢量提高多达四倍。但这或许还不足以在没有其他辅助技术的情况下，使激发制氢在商业上具备可行性。
激发制氢面临的最大挑战之一，在于没有一套放之四海而皆准的方案。除了水和铁这两种基本要素之外，影响产氢量及持续时间的因素众多，压裂只是其中之一。实验室研究表明，最大化产氢的理想温度约为200至300摄氏度；酸度、岩石与水的化学成分，以及地下微生物群落，都是不可忽视的重要因素。
更复杂的是，每种岩层各有不同，可能需要不同的激发技术或多种技术的组合。"没有一种方案能在所有地方都奏效，"氢能初创公司GeoKiln的CEO阿列克谢·切尔尼亚克说，"你必须了解所在地的地质条件。"
他指出，一些颇具潜力的岩层可能已经足够破碎或多孔，能够被水充分浸润，但温度过低，无法自然产生充足的氢气。为解决这一问题，他的公司——总部位于休斯顿——采用了一套地下加热系统，该系统最初是为改善重油储层流动性、以及将年轻页岩中的固态有机物转化为可开采油气而开发的。这些加热装置可商业购得，安装方式与Eden的电极类似，均置于钻入氢气源岩的钻孔中。切尔尼亚克表示，GeoKiln已准备好启动现场测试，只待筹集到足够资金。
其他研究人员正在探索催化剂的应用——即能够加速产氢反应的金属或化学盐——他们认为，催化剂可以替代或补充压裂与加热手段，以更低成本提升产氢量。例如，Vema Hydrogen公司押注于锅炉加热水与专有催化剂的混合方案。"关于我们的催化剂，我能说的基本上是它们不是什么：不有毒、不昂贵、不危险，"Vema首席科学官弗洛里安·奥斯兰说。这家同样总部位于休斯顿的公司已在加拿大开始钻探试验井，测试其神秘配方。通过将其注入半渗透性岩石，Vema预计无需压裂即可实现商业产量。"我们已经完成了现场规模的数值模拟，结果让我们很有信心，"奥斯兰说。
总部位于丹佛的初创公司Koloma提出了另一种激发方法，旨在通过模拟自然风化过程来暴露更多岩石表面，从而产生更多氢气。该技术将二氧化碳加入水中，并在特定时间注入，以控制酸度和气体浓度等因素。二氧化碳与水反应生成酸，分解岩石孔隙中的矿物链，从而增大孔隙表面积，公司首席技术官汤姆·达拉解释道——他曾在俄亥俄州立大学担任教授期间研究并申请了这一方法的专利。"我称之为微坑蚀，因为岩石表面从光滑变得粗糙，"他说。与压裂一样，更大的表面积意味着更多的产氢量——前提是能找到正确的配方。
德克萨斯农工大学能源资源工程师丽塔·埃苏鲁·奥科罗阿法尔正在研究各种激发方法对产氢量的影响，包括压裂、催化剂和二氧化碳注入。她基于全球各地岩石样品的实验室测试及激发地质氢系统数值模型所得出的数据显示，上述任何一种方法单独使用，都无法将产氢速率维持在长期商业开发所需的水平。"我们的模型仍在优化中，但它们告诉我们：需要大量压裂，需要催化剂，还需要反复激发，"她说。
奥科罗阿法尔解释道，产氢过程最终会耗尽暴露岩石表面上所有易于获取的铁，导致产量骤降。催化剂在加速产氢的同时，也加速了这一衰减过程。"这些反应发生得越快，消亡得也越快，"她说。催化剂还会留下矿物沉淀，堵塞已有裂缝。在近期的一项研究中，她发现盐酸有助于清除这些沉积物、暴露新鲜岩石表面，并重新打通水流通道，从而恢复产量。
目前，判断哪些技术将在地质氢竞赛中胜出，以及激发技术是否真的是使其成为可行产业的必要条件，还为时尚早。更重要的是，产氢只是商业化的第一步，后续仍有诸多问题有待解答：氢气从地下涌出后，如何提纯？如何储存和运输？行业将如何监管？环境风险有哪些，又将如何应对？成本将是多少？
"面对当前的种种挑战和能源价格上涨，我们需要为未来做好准备，"斯莫尔斯说。但正如新兴技术开发中常见的情形，现实总会横生枝节。在那处马场，压裂工作原定于6月启动，却因一场暴风雪、设备小故障及其他后勤问题而一再推迟。"一切都比你预想的要慢，"斯莫尔斯说。尽管如此，他依然从容，始终保持着乐观。"我喜欢去追逐那些别人不敢碰的事情。"
Q&A
Q1：Eden GeoPower的电力储层改造技术是如何破碎地下岩石的？
A：Eden将两根大型电极分别放入相邻钻孔，通过定制的马克斯发生器向电极之间的岩石发射高压脉冲。脉冲在岩石内部的微小潮湿孔隙中形成等离子体通道，通道迅速膨胀产生冲击波，从而将坚硬岩石击碎，形成蛛网状裂缝网络，渗透率可提升十倍。
Q2：激发地质氢的基本原理是什么？
A：激发地质氢的核心原理是向富铁岩石中注水，水与铁发生氧化反应，以氢气作为副产品释放出来。通过压裂、加热或注入催化剂等方式改造岩层，可以为水流创造更多通道，接触更多含铁矿物，从而提升产氢量。实验室测试显示，使用脉冲电力压裂后，岩石样品的产氢量可提高多达四倍。
Q3：激发地质氢要实现商业化，还面临哪些主要挑战？
A：主要挑战包括：产氢速率能否达到经济可行的水平；不同地质条件需要不同的激发方案，没有通用配方；产氢过程会耗尽岩石表面的可用铁，导致产量下降，需要反复激发；此外，氢气的提纯、储存、运输、监管及环境风险管控等商业化后续环节，目前均尚无成熟答案。