Wetenschap
Nieuwe methode maakt 4D-beeldvorming van vloeistoffen in poriën mogelijk
Een methode gebaseerd op CT (computertomografie) – een type beeldvorming dat veel wordt gebruikt in ziekenhuizen – kan ons begrip van CO2 helpen verbeteren opslag, batterijen en processen in het lichaam zoals de opname van voedingsstoffen.
Hoe stromen vloeistoffen in materialen zoals steen, aarde en botten? De poriën kunnen klein en smal zijn en vloeistoffen kunnen snel bewegen, vaak in kleine sprongen die binnen milliseconden voorbij zijn. Het was voorheen niet mogelijk om hiervan 3D slow-motion video's te maken.
Onderzoekers hebben nu een methode ontwikkeld die is gebaseerd op CT (computertomografie), een vorm van beeldvorming die veel wordt gebruikt in ziekenhuizen. Dit kan ons begrip van CO2 helpen verbeteren opslag, batterijen en processen in het lichaam, zoals de opname van voedingsstoffen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences .
Een 3D-film van vloeistofstromen maken
Vloeistoffen in poreuze materialen zijn overal aanwezig, zowel in de natuur als in de industrie. In de geowetenschappen en milieuwetenschappen is het begrijpen van hoe vloeistoffen door gesteente bewegen belangrijk voor de zoetwatervoorziening en de beheersing van vervuiling. CO2 opslag in voormalige olie- en gasreservoirs in de Noordzee is een veelbelovende technologie die de uitstoot van broeikasgassen kan verminderen, maar een uitdaging bij het injecteren van CO2 in het gesteente is dat het zoute water dat er al is, verplaatst moet worden.
Poreuze materialen absorberen doorgaans vloeistoffen. Bevochtigende vloeistoffen verspreiden zich gelijkmatig over de materialen, terwijl niet-bevochtigende vloeistoffen druppeltjes vormen in minimaal contact met de omgeving. Bij drainage wordt een niet-bevochtigende vloeistof gebruikt, meestal lucht, die een bevochtigende vloeistof verdringt.
De drainage in poreuze steen is ingewikkeld en vloeistoffen stromen niet gelijkmatig op microniveau, maar met horten en stoten, vergelijkbaar met een 'gorgelend' proces. De druk wordt opgebouwd voordat de poriën plotseling zogenaamde Haines-sprongen opvullen.
Deze sprongen beïnvloeden het vermogen van materialen om vloeistoffen te transporteren. Daarom is dit ook van belang in relatie tot CO2 opslag en katalysatoren. Er is computersoftware ontworpen om Haines-sprongen te modelleren, maar deze moet met metingen worden gekalibreerd. Haines-sprongen zijn nog niet in 3D afgebeeld met voldoende resolutie om ze in detail te kunnen bestuderen. Dit komt omdat ze plaatsvinden in materialen, over zeer korte afstanden (nanometers tot millimeters) en gedurende zeer korte tijdsperioden (milliseconden).
Kim Robert Tekseth is een promovendus bij NTNU. Hij onderzoekt hoe röntgenmicroscopie kan worden gebruikt om vloeistoffen in poreuze materialen te bestuderen. Wetenschappers over de hele wereld strijden om een slow-motion 3D-video van vloeistoffen in steen. Het vorige 'wereldrecord' bedroeg ongeveer één seconde per tijdstap. Een onderzoeksteam heeft dit record gebroken. Ze kunnen deze metingen nu zo’n 1.000 keer sneller doen. Met 0,5 milliseconden per stap kan de vloeistofstroom in detail in 3D worden bestudeerd.
Het hele proces opnieuw bekijken
Bij gebruik van gewone CT moet het monster 180° worden gedraaid om elk 3D-beeld te creëren. Dit beperkt de beeldsnelheid, wat betekent dat ze het hele proces moesten heroverwegen. De oplossing was om de stroom door het poreuze materiaal herhaalbaar te maken. De onderzoekers maakten een klein monster van gesinterd glas. Water en lucht kunnen herhaaldelijk heen en weer in het glas worden gedreven, terwijl honderdduizenden röntgenfoto's vanuit verschillende hoeken worden gemaakt. De methode kan worden geïllustreerd door deze te vergelijken met het hoogspringen in de atletiek.
Stel je voor dat je een 3D-film gaat maken van een professioneel hoogspringen. Er kunnen meerdere camera's tegelijkertijd vanuit verschillende hoeken worden gebruikt (maar dit is lastig met röntgenfoto's). De sleutel is dat elke sprong elke keer met vrijwel identieke techniek verloopt. Hiermee kun je een reeks sprongen vanuit verschillende hoeken opnemen en deze opnames vervolgens samenvoegen tot één 3D-film. Dit wordt ook wel 4D-CT (3D + tijd) genoemd. De samenwerking met de röntgenfaciliteit van ESRF (synchrotron) in Frankrijk speelde een cruciale rol.
Hierdoor konden ze meten dat het vloeistoffront tijdens sprongen tot 200 mm/s beweegt, wat veel hoger is dan de gemiddelde stroomsnelheid. Ze zagen ook dat wanneer een porie tijdens een sprong plotseling volliep, het vloeistofniveau in alle andere poriën van het monster tegelijkertijd werd beïnvloed. De onderzoekers zeggen dat dit onderzoek de eerste keer is dat dit rechtstreeks in 3D wordt waargenomen.
De onderzoekers zeggen dat ze hun methode in de toekomst ook in andere snelle 3D-processen kunnen gebruiken. Naast elementaire vloeistofstudies zullen ze katalyse en batterijen bestuderen. Ook hebben ze kunstmatige intelligentie ingezet om de metingen sneller en beter te analyseren.