De fossiele brandstoffen die een groot deel van de energie in de wereld leveren, zijn afkomstig van een soort gesteente dat bekend staat als kerogeen, en het potentieel voor het terugwinnen van deze brandstoffen hangt in grote mate af van de grootte en verbondenheid van de interne porieruimten van de rotsen.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een team van onderzoekers van MIT en elders heeft driedimensionale beelden gemaakt van de interne structuur van kerogen, met een meer dan 50 keer groter detailniveau dan eerder werd bereikt. Deze afbeeldingen moeten nauwkeurigere voorspellingen mogelijk maken van hoeveel olie of gas kan worden gewonnen uit een bepaalde formatie. Dit zou niets veranderen aan de mogelijkheid om deze brandstoffen terug te winnen, maar het zou kunnen, bijvoorbeeld, leiden tot betere schattingen van de winbare aardgasreserves, die wordt gezien als een belangrijke transitiebrandstof nu de wereld het gebruik van kolen en olie probeert aan banden te leggen.

De bevindingen worden deze week gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Science , in een paper van MIT Senior Research Scientist Roland Pellenq, MIT-professor Franz-Josef Ulm, en anderen aan het MIT, CNRS en Aix-Marseille Université (AMU) in Frankrijk, en Shell Technology Center in Houston.

Het team, die twee jaar geleden resultaten publiceerde over een onderzoek naar de poriënstructuur van kerogeen op basis van computersimulaties, gebruikte een relatief nieuwe methode genaamd elektronentomografie om de nieuwe 3D-beelden te produceren, die een resolutie hebben van minder dan 1 nanometer, of miljardste van een meter. Eerdere pogingen om de kerogeenstructuur te bestuderen, hadden het materiaal nog nooit in beeld gebracht met een resolutie van minder dan 50 nanometer, zegt Pellenq.

Fossiele brandstoffen, zoals hun naam doet vermoeden, ontstaan ​​wanneer organisch materiaal, zoals dode planten, wordt begraven en vermengd met fijnkorrelig slib. Naarmate deze materialen dieper worden begraven, gedurende miljoenen jaren wordt de mix gekookt tot een minerale matrix afgewisseld met een mix van op koolstof gebaseerde moleculen. Overuren, met meer warmte en druk, de aard van die complexe structuur verandert.

Het proces, een langzame pyrolyse, omvat "het koken van zuurstof en waterstof, en aan het einde, je krijgt een stuk houtskool, Pellenq legt uit. "Maar tussendoor, je krijgt deze hele gradatie van moleculen, "Veel van hen bruikbare brandstoffen, smeermiddelen, en chemische grondstoffen.

De nieuwe resultaten laten voor het eerst een dramatisch verschil zien in de nanostructuur van kerogeen, afhankelijk van de leeftijd. Relatief onrijpe kerogeen (waarvan de werkelijke leeftijd afhangt van de combinatie van temperaturen en drukken waaraan het is onderworpen) heeft de neiging om veel grotere poriën te hebben, maar bijna geen verbindingen tussen die poriën, waardoor het veel moeilijker wordt om de brandstof eruit te halen. Rijpe kerogeen, daarentegen, heeft de neiging om veel kleinere poriën te hebben, maar deze zijn goed verbonden in een netwerk waardoor het gas of de olie gemakkelijk kan stromen, veel meer herstelbaar maken, Pellenq legt uit.

De studie onthult ook dat de typische poriegroottes in deze formaties zo klein zijn dat normale hydrodynamische vergelijkingen die worden gebruikt om te berekenen hoe vloeistoffen door poreuze materialen bewegen, niet werken. Op deze schaal staat het materiaal zo nauw in contact met de poriënwanden dat interacties met de wand zijn gedrag domineren. Het onderzoeksteam moest dus nieuwe manieren ontwikkelen om het stromingsgedrag te berekenen.

"Er is geen vloeistofdynamicavergelijking die werkt in deze subnanoschaalporiën, " zegt hij. "Geen continuümfysica werkt op die schaal."

Om deze gedetailleerde afbeeldingen van de structuur te krijgen, het team gebruikte elektronentomografie, waarbij een klein monster van het materiaal binnen de microscoop wordt geroteerd terwijl een elektronenbundel de structuur aftast om dwarsdoorsneden onder de ene hoek na de andere te verschaffen. Deze worden vervolgens gecombineerd om een ​​volledige 3D-reconstructie van de poriestructuur te produceren. Terwijl wetenschappers de techniek al een paar jaar gebruikten, ze hadden het tot nu toe niet toegepast op kerogeenstructuren. De beeldvorming werd uitgevoerd in het CINaM-lab van CNRS en AMU, in Frankrijk (in de groep van Daniel Ferry), als onderdeel van een langdurige samenwerking met MultiScale Materials Science for Energy and Environment, het gezamenlijke laboratorium MIT/CNRS/AMU aan het MIT.

"Met deze nieuwe tomografie op nanoschaal, we kunnen zien waar de koolwaterstofmoleculen zich in de rots bevinden, " zegt Pellenq. Toen ze de beelden eenmaal hadden, de onderzoekers konden ze gebruiken samen met moleculaire modellen van de structuur, om de betrouwbaarheid van hun simulaties en berekeningen van stroomsnelheden en mechanische eigenschappen te verbeteren. Dit zou licht kunnen werpen op de daling van de productiesnelheden in olie- en gasbronnen, en misschien over hoe je die achteruitgang kunt vertragen.

Tot dusver, het team heeft monsters van drie verschillende kerogeenlocaties bestudeerd en een sterke correlatie gevonden tussen de volwassenheid van de formatie en de poriegrootteverdeling en porieholte-connectiviteit. De onderzoekers hopen nu het onderzoek uit te breiden naar veel meer sites en een robuuste formule af te leiden voor het voorspellen van de poriestructuur op basis van de volwassenheid van een bepaalde site.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.