Donhee Ham, Gordon McKay Hoogleraar Elektrotechniek en Technische Natuurkunde, heeft $ 1,7 miljoen toegekend gekregen van het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) van het Amerikaanse Department of Energy om geminiaturiseerde nucleaire magnetische resonantie (NMR) elektronica te ontwikkelen. Het kleine formaat en de lage kosten van de apparaten lenen zich voor brede inzet in de diepe ondergrond van de aarde, beeldvorming van rotsformaties voor olie- en gasexploratie mogelijk maken.

NMR is een techniek die protonen in een molecuul verstoort om belangrijke aanwijzingen te krijgen over de structuur en beweging ervan. Het kan onbekende stoffen identificeren, detecteren zeer kleine variaties in chemische samenstelling met atomaire resolutie, en meten hoe moleculen bewegen en op elkaar inwerken, waardoor het een essentieel hulpmiddel is in de organische chemie, structurele biologie, en ontdekking van medicijnen.

Sinds de jaren 1990, NMR is een essentieel hulpmiddel geweest voor de exploratie van aardolie in de olie- en gasindustrie. Het wordt gebruikt om vloeistofsamenstellingen en moleculaire interacties tussen rotsoppervlakken en vloeistoffen te onderzoeken en heeft geholpen bij het ontdekken van grote olie- en schaliereservoirs in Brazilië en de Verenigde Staten.

Echter, de huidige NMR-elektronica die wordt gebruikt bij het ontdekken van olie en gas is omvangrijk, zwaar en duur. Ze zijn meer dan 12 voet lang en wegen meer dan 200 pond. Ham en zijn team willen daar verandering in brengen door de omvangrijke NMR-elektronica te integreren in een halfgeleiderchip die in de palm van een hand kan worden gehouden.

"Zulke kleine NMR-elektronica kan veel breder worden verspreid door geologische formaties, langdurige gedistribueerde monitoring van de ondergrond van de aarde mogelijk maken, het transformeren van olie-ontdekking en -productie in volwassen velden, diep water velden, en onconventionele olie-/gasreservoirs, "zei Ham. "Zulke gedistribueerde monitoring is als het in beeld brengen van de ondergrond van de aarde, net als dezelfde NMR-fysica-beelden in het menselijk lichaam in MRI."

In de afgelopen 10 jaar, Ham en zijn team hebben NMR-apparaten voor draagbare diagnostische biomoleculaire detectie en biomoleculaire spectroscopie kleiner gemaakt met behulp van geïntegreerde siliciumcircuittechnologie - de technologie die verantwoordelijk is voor computermicroprocessors. Het huidige project bouwt voort op die expertise.

De nieuwe uitdaging voor diepe ondergrondse toepassingen is het maken van elektronica op chipschaal die bestand is tegen de hoge temperaturen van de ondergrondse omgeving. De huidige generatie silicium-geïntegreerde schakelingen zijn niet geschikt voor dergelijke toepassingen bij hoge temperaturen. Om deze uitdaging te overwinnen, Ham en zijn team zullen gallium-nitride (GaN) geïntegreerde circuittechnologie gebruiken, wat niet alleen helpt bij miniaturisatie, maar het systeem ook in staat stelt om bij hoge temperaturen te werken.

Naast ondergrondse olie- en gasontdekking, dit miniatuur NMR-apparaat zou op grote schaal kunnen worden verspreid om de kwaliteit te bewaken en de efficiëntie in stroomafwaartse elementen van de kabelrups te verbeteren, inclusief verzendkosten, pijpleidingen, mengen, raffinaderij, opslag, en distributie.

Dit onderzoek maakt deel uit van een voortdurende samenwerking met Schlumberger, een van 's werelds grootste olievelddienstenbedrijven. De financiering verloopt via het ARPA-E OPEN-programma, die tot doel heeft potentieel ontwrichtende nieuwe technologieën in het volledige spectrum van energietoepassingen te identificeren.