如果让你列出微波给我们生活带来的便利之处，你会想到什么？
一般人自然想到的是微波炉能够轻松、快速搞定晚餐这个功能。但工程师彼得·卡尔想到的是，将微波作为能源危机的解决方案。
随着人类社会的发展，石油这种不可再生资源日渐枯竭。当今世界还在激烈争论：石油和天然气的开采究竟是一种经济机遇，还是环境的噩梦时，工程师卡尔却想到，微波可以提供一个更清洁、更环保的方式从油页岩中获得这些燃料。这一想法对大多数人来讲像是科幻片，但是他认为，这并不是什么像星球大战之类虚幻的东西，而是可以实现的愿望。
开采“非常规石油”的困境
今天，全世界使用的大部分原油都是从产量丰富的中东或拉丁美洲等地的油田中开采而来的，这些石油都储存在结构比较宽松的沉积层中，便于开采。但随着人类对石油能源的需求越来越大，现有油田的储藏量日渐枯竭，人类面临的能源危机越来越严重。
在此背景下，油页岩正在得到前所未有的重视。油页岩又称油母页岩,是一种高矿物质含量的固体可燃有机沉积岩，它是由粉沙、淤泥和低等生物残体腐解的有机质沉积形成的。若将油页岩打碎并加热至500℃左右，就可以得到页岩油。页岩油是“非常规石油”，我国常称页岩油为人造石油。
油页岩传统的开采方法是直接开采，然后将油页岩放进干馏炉加热干馏，但这种原始的方式对生态环境的破坏也十分严重，主要表现在三个方面：
一是生态及水质破坏严重。无论是露天采矿还是井下采矿，都需要把地下水位降低到含油页岩层的层位以下，开采1立方米油页岩，一般需要抽出25立方米的地下水；采矿水极大地增加了地表水、地下水中硫酸盐的含量。在巴西，油页岩采矿长期破坏着矿山及其附近的生态平衡和水位水质的稳定。
二是灰渣污染严重。通过直接开采得到的油页岩用于提炼页岩油或直接燃烧，产生大量灰渣，造成空气污染和环境污染。
三是直接开采占地较多，一旦开采就无法完全修复。
有鉴于此，现代开采油页岩就在地下对油页岩矿层进行直接加热和裂解，促使其转化为高品质的油或气，再通过相关通道将油、气分别提取出来,采集到地面进行加工。
但这种方法在开采过程中仍然存在诸多问题，比如地下岩层受热慢、破坏地下环境、油气杂质含量多等等。
近几年还兴起一种水力压裂技术法，它是将水、砂子和化学试剂掺杂制成压裂液，再灌进岩石深处并压裂岩石，最终释放出石油或天然气。这种方法尤其适合开采页岩孔隙中的天然气，它的应用推动了美国天然气产量大幅增长，使美国从能源消费国转变为能源供应国，燃料由燃煤转变为天然气，二氧化碳的排放量减少了一半左右。
但这项技术却伴随着高昂的环境代价，尤其是在水的消耗量上。美国有3.5万个靠水力压裂技术提取的油气井，每年要消耗多达5250亿升的水，这个数值相当于大约380万美国公民一年的用水量！再者，在技术应用上，水力压裂技术法是一种具有腐蚀性且暴力的方式。向地层注入的压裂液是非常不环保的化学试剂，比如用盐酸清除钻井里的水泥碎片或分解石灰石，其中还加了缓蚀剂、减摩剂、粘度降低剂和生物杀菌剂等等，严重损害了地下环境。
而彼得·卡尔微波开采技术似乎正好可以解决这些问题和难点。微波辐射加热开采油气的原理，是加热困在油页岩孔隙里面的水分，而受热沸腾的水会与固态的碳氢化合物（油气）混合，会变成液态。当继续加热时，混合液就变成蒸汽，通过油页岩的孔隙和裂缝流动，运移汇集到生产井，我们就可以在地表进行收集。
高效率、低污染
我们知道，尽管油页岩中石油含量丰富，但它却是一种热的不良导体。加热法开采油页岩，一般是利用直接传导加热或对流加热的方法，但是这两种方法的热量传递速度十分缓慢，而且热量传递不完全。也就是说，传统的加热方法只能加热一部分岩石，遇到障碍物时，热量传递就会受阻。
然而，利用微波进行辐射加热，则克服了这些难点，它通过分子之间的相互碰撞、摩擦而生热，其能量利用效率高，物体升温非常迅速。而油页岩矿层本身的温度却不会过度增加，这样就减轻了对矿层生物的伤害。
另外，开采过程中，岩石缝隙里的蒸汽能够抑制氧气的含量，使油井里的氧气能保持在较低水平，这样的话，氧气就不能轻易燃烧起来，也就意味着微波加热采矿过程，没有地下火灾的风险。
微波辐射加热采矿的整体效果，类似于高效率的水力压裂技术，但是整个过程中没有使用任何化学物品，也没有使水受到污染。微波发出的波束可能会烤熟在发射路上遇到的微生物，但它产生的伤害仍然低于水力压裂法中使用的酸性化合试剂。科学家表示，这是目前效率更高、对环境的影响更小的油气提炼方法。
事实上，微波辐射加热不仅不会像水力压裂技术一样消耗大量的水，甚至还能产生可饮用的纯净水。研究人员表示，虽然油砂的含水量仅占1%左右，但油页岩的含水量可达到20%左右。利用微波技术，开采一桶原油或天然气，就能获得两到五桶的水。例如，美国西部的绿河中的地层，包含世界最大的油母页岩矿床，如果采用微波加热开采，那么每生产一桶油，就能获得两桶纯净水。斯坦福大学地球系统科学家罗伯·杰森说，如果微波技术可消除隙缝中的化学物质对水的需要，那将是科技的重大进步。
旧井废弃？不，重新利用
卡尔还想到了微波加热的另一种使用方式，就是疏通现有的石油和天然气钻井，在常规油井里，石蜡和其他杂质经常会堵住输油管道。而在水力压裂井中，页岩吸收水会膨胀或破碎，导致油气体的输出受阻，产量因此快速下降。
因为这些旧的油井的产油速率已经变得过于缓慢，甚至无法继续经营下去。尽管还剩余很多石油或天然气，人们仍旧遗弃许多这样的油气井，并开始在别的地方挖掘新井。
卡尔说，如果微波可以融化石蜡或蒸发掉水分，那么被废弃的油气井就可以重新有效地利用。如果我们可以从旧井生产更多石油，那么不用一直寻找新的油井，这可以有助于保护环境敏感和脆弱的油井地区，在一定程度上保护了自然原生态环境。
另外，英国诺丁汉大学约翰·罗宾逊教授和他的同事们，正在研究一项微波技术，能够将困在钻孔岩屑的重油释放出来，或净化钻井过程中留下的被污染的油砂。当用微波加热这些物质时，被加热的水就会与重油混合在一起，带出这些被困住的重油，留下基本上干净通透的砂子。
这样的方法也可以用于净化砂、粘土、水、沥青的混合物——一种粘稠的石油泥浆混合物。在油气开采过程中，人们一直尽量避免将石油泥浆混合物从地层中抽出来，之前唯一的办法就是运用条带开采或露天开采，这意味着要用大型液压挖掘机挖开地面，像加拿大的北部森林，地面被挖掘机夷平了数千平方千米！理所当然地，这引起了油气开发区人们的强烈抗议。
而英国石油巨头BP石油公司已经资助罗宾逊的研究团队，希望他们净化海洋钻取石油时带出的大量岩屑，并将这些净化后的岩屑安全地投回大海。
微波采矿，问题与挑战
虽然微波加热会比原有的油气开采技术更环保，但同样地，微波提取法的过程也会有碳排放。为改善这种情况，卡尔计划利用微波加热过程中的岩石裂缝，来存储微波发生器发电时产生的二氧化碳；或者将在微波发生器设置在可再生能源的地区。例如，美国科罗拉多州的油母页岩矿床位于多风的地区，风力发电的涡轮机就能为微波发生器提供充足的电力。
而我们需要谨慎的是，新技术的发展可能会染指新的矿产领域——例如，美国绿河地层储存大量沥青油，如果没有这项技术，沥青油就会永远留在地层中，我们也就不用考虑开采油气可能引发的各种环境问题。
有些科学家表示，新技术可能会带来一场大灾难，因为新的方法能够提取更多化石燃料，从国家或全球的发展战略角度看，带来的后果将是疯狂的，可能会导致国家石油抢占状况加剧，还可能会快速增加地球温室气体的排放量。
但罗宾逊教授不这样看，他认为，微波加热开采作为一种新型环保技术，应该是通往低碳经济的必要桥梁。因为目前，人类仍旧需要提取这些碳氢化合物（石油或天然气），来推动经济发展，从而才能促使可再生能源的开发。
然而，微波加热提取油气的最大障碍不是技术、政治或环境等因素，而是来自石油或天然气市场。比如，这些年以来，石油价格从每桶超过100美元，去年年底开始暴跌，现在变成摇摆不定的大约50美元一桶，价格无望恢复到以前的高度。因此，采矿公司投资新提取技术的兴趣低下，意味着技术投入实际应用的资金管道受到很大限制 ——除了旧井的修复项目。因此，若要发展这项技术，还要看油价是否足够诱人，以驱使采矿公司来采用。
（本文源自大科技*科学之谜2015年第11期）
