Granulaire systemen zoals grind of poeders zijn overal te vinden, maar ze bestuderen is niet gemakkelijk. Onderzoekers van ETH Zürich hebben nu een methode ontwikkeld waarmee foto's van de binnenkant van granulaire systemen tienduizend keer sneller kunnen worden gemaakt dan voorheen.

Zelfs in onze moderne wereld vol hoogtechnologische machines en apparaten is het nog steeds onmogelijk te voorspellen wanneer aardverschuivingen, zoals de recente in Graubünden, of aardbevingen zullen plaatsvinden en hoe ze precies evolueren. Dit is deels te wijten aan het feit dat ondanks vele jaren van onderzoek, wetenschappers zijn nog maar net begonnen het gedrag van grind en zand te begrijpen, vooral wanneer gemengd met water of gassen.

Een team van onderzoekers onder leiding van Christoph Müller van de afdeling Mechanische en Procestechniek van de ETH Zürich en Klaas Prüssmann van het Instituut voor Biomedische Technologie van de ETH en de Universiteit van Zürich, samen met collega's van de Osaka University in Japan, hebben nu een nieuwe techniek ontwikkeld die het in de toekomst veel gemakkelijker zou kunnen maken om dergelijke verschijnselen te bestuderen. Veel natuurverschijnselen en natuurrampen zouden daardoor beter begrepen en voorspeld kunnen worden.

Poeders en granen in de chemische industrie

Granulaire systemen - een verzamelnaam voor alles dat lijkt op granen of poeders - spelen niet alleen in de natuur een cruciale rol. Ze zijn even belangrijk in praktische toepassingen, zoals de chemische industrie, waar driekwart van de grondstoffen korrelvormige stoffen zijn. Een veel voorkomend probleem in de chemische industrie is dat productiestromen kunnen worden onderbroken, bijvoorbeeld, door onvoorzien en slecht begrepen vastlopen of ontmengen van de gebruikte korrelige materialen.

"Zelfs een kleine verhoging van de efficiëntie van de productieprocessen door verbeterde kennis zou het mogelijk maken om veel energie te besparen", legt Alexander Penn uit, een promovendus in de groep van Müller en Prüssmann. Echter, als je probeert te begrijpen wat er gebeurt, bijvoorbeeld, wanneer verschillende deeltjes met elkaar worden gemengd of in interactie worden gebracht met gassen in zogenaamde wervelbedden, men staat voor een serieus probleem:granulaire systemen zijn ondoorzichtig, wat het erg moeilijk maakt om iets te leren over de exacte ruimtelijke verdeling en beweging van de deeltjes.

Medische technologie helpt bij onderzoek naar granulaire systemen

Om dit obstakel te overwinnen, wetenschappers hebben een technologie opnieuw geïntroduceerd in natuurkundig onderzoek die, vandaag de dag, wordt voornamelijk gebruikt in de geneeskunde:magnetische resonantie beeldvorming (MRI), die bekend staat om de smalle buis waar patiënten naar toe moeten om onderzocht te worden. Magnetische resonantiebeeldvorming maakt gebruik van radiogolven en sterke magnetische velden om eerst de magnetische momenten van bepaalde atoomkernen in een weefsel of materiaal uit te lijnen (deze kunnen worden gevisualiseerd als kleine kompasnaalden).

Daarna, de atoomkernen verliezen hun uitlijning, en daarbij, ze zenden zelf radiogolven uit die kunnen worden gemeten. Eindelijk, de resultaten van die metingen worden gebruikt om een ​​driedimensionaal beeld te krijgen van de posities van de atoomkernen in het materiaal. In hun nieuwe experimenten, onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers van ETH voegden een aantal radioantennes toe aan een commercieel MRI-apparaat en analyseerden de metingen met speciale software. Hierdoor konden ze de interne dynamiek van granulaire systemen tienduizend keer sneller meten dan voorheen mogelijk was.

Met dat doel, de wetenschappers ontwikkelden speciale deeltjes bestaande uit een oliedruppel bedekt met agar met een diameter van één millimeter die een bijzonder groot en aanhoudend magnetisch resonantiesignaal produceerde. Ze gebruikten ze, onder andere, om te bestuderen wat er gebeurt als een gas door granulaire systemen stroomt. De gasstroom zorgt ervoor dat het korrelige medium, die meestal stevig is, zich als een vloeistof gedragen. In dergelijke "gefluïdiseerde" granulaire systemen kunnen gasbellen opstijgen, opsplitsen of fuseren.

Tot nu, het was onmogelijk om dergelijke bubbels in realtime te bestuderen. Met de nieuwe meettechniek die is ontwikkeld door de in Zürich gevestigde wetenschappers, kan men foto's maken van de binnenkant van korrelige materie met een temporele resolutie van minder dan een honderdste van een seconde. Bovendien, een slimme analyse van de magnetische resonantiesignalen maakt het mogelijk om de snelheden van de afzonderlijke deeltjes te meten en, dus, om aanvullende informatie te verkrijgen over de dynamiek van die complexe systemen.

Toepassingen in koolstofafvang

Er zijn tal van toepassingen mogelijk van de kennis die met de nieuwe techniek is verkregen. De onderzoekers plannen, bijvoorbeeld, om bestaande theoretische modellen voor granulaire systemen zorgvuldig te testen en, waar nodig, om ze te verbeteren. Tot de te testen modellen behoren de spontane ontmenging van korrelige mengsels van deeltjes met verschillende groottes, wat kan leiden tot problemen in industriële toepassingen, evenals de spontane "jamming" van stromende systemen. Belvorming in granulaire systemen die worden blootgesteld aan gasstromen, anderzijds, is belangrijk voor procedures waarbij een gas verondersteld wordt zo sterk mogelijk te reageren met katalysatordeeltjes. Dergelijke procedures worden gebruikt, bijvoorbeeld, bij het afvangen van kooldioxide, die in de toekomst kunnen worden gebruikt om klimaatverandering tegen te gaan. Een beter begrip van de fysieke processen die daarbij komen kijken, kan leiden tot een hogere efficiëntie en aanzienlijke energiebesparingen.