De vraag van de samenleving naar energie is voornamelijk afhankelijk van olie en gas, die eindige hulpbronnen zijn. Toekomstige technologieën kunnen het energieverbruik verminderen, maar tot dan, bestaande middelen moeten zorgvuldig worden beheerd. Directeur van het Ali I. Al-Naimi Petroleum Engineering Research Center bij KAUST Tadeusz Patzek gebruikt natuurkunde om deze uitdaging aan te gaan door de productie van gas uit fracking te modelleren.

Patzek en zijn collega's beschrijven twee visies op het wereldwijde energieverbruik. Optimisten geloven dat de menselijke bevolking, energieverbruik en economieën kunnen exponentieel blijven groeien omdat mensen innovatieve manieren zullen blijven uitvinden om te overleven. anderen, echter, merk op dat de aarde duidelijke grenzen stelt aan groei, wat betekent dat de energieproductie een piek zal bereiken voordat deze afneemt.

De olie- en gasproductie heeft in het verleden inderdaad pieken bereikt, maar deze zijn overgenomen door ontdekkingen van nieuwe reserves en technologieën voor het winnen van brandstoffen uit voorheen ontoegankelijke gebieden. Het meest complexe en controversiële nieuwe proces is het fracken (hydraulisch breken) van oude oceaanbodems, schalieformaties genoemd. Fracking is het injecteren van water en zand onder hoge druk in schalielagen enkele kilometers onder de grond, waardoor scheuren ontstaan ​​die ingesloten koolwaterstoffen vrijgeven.

"Mijn co-auteurs, Scott Tinker en Michael Marder, en ik, gewerkt aan een Sloan Foundation-project, wiens doel het was om de gaswinning uit schalie in de VS in ongekend detail te modelleren, ", zegt Patzek. In plaats van bestaande gasputsimulaties toe te passen, die complex en tijdrovend zijn om uit te voeren, lieten de onderzoekers zich inspireren door de elegante, eenvoudige modellen van de fysica van de gecondenseerde materie, zoals die voor elektronentransport bij lage temperaturen.

Hun resulterende model vereist zeer weinig parameters om de diffusie van gas uit fracking-putten te modelleren, en de onderzoekers valideerden het door de output van 14000 gasbronnen in de VS nauwkeurig te voorspellen.

Algemeen, het onderzoek toonde aan dat met de huidige technieken slechts 10-20% van het aardgas in frackingvelden wordt gewonnen. Dit suggereert dat, terwijl technische verbeteringen de levensduur van fracking als nuttige brandstofbron kunnen verlengen, de door sommige industriëlen voorspelde gasstroom is nog niet gegarandeerd.

Patzek wil niet zeggen of hij een optimist of een pessimist is met betrekking tot fracken. "Ik ben noch, "zegt hij. "Ik ben een wetenschapper, en mijn kijk op de natuur wordt strikt bepaald door de chemie en fysica van de processen die zich voordoen. Echter, Ik ben ook een fervent milieuactivist, en vanuit dit perspectief, business as usual eindigt voor de mensheid."

Patzek en collega's hebben zeker aangetoond dat natuurkundigen een rol spelen bij het ontwikkelen van nieuwe businessmodellen voor toekomstige energiebronnen.