Ingenieurs van het Imperial College London hebben een 100 jaar oude wetenschappelijke wet ontkracht die werd gebruikt om te beschrijven hoe vloeistof door rotsen stroomt.

De ontdekking door onderzoekers van Imperial zou kunnen leiden tot een reeks verbeteringen, waaronder vooruitgang in Carbon Capture and Storage (CCS). Dit is waar industriële emissies worden opgevangen door CCS-technologie, alvorens de atmosfeer te bereiken, en veilig opgeslagen in de rots diep onder de grond.

Kilometers onder het aardoppervlak stromen verschillende soorten vloeistoffen door de microscopisch kleine ruimtes tussen de korrels in rotsen.

Wetenschappers van het College hebben de Diamond Light Source-faciliteit in het VK gebruikt om 3D-video's te maken die gedetailleerder dan ooit tevoren laten zien hoe vloeistoffen door rotsen bewegen.

Al meer dan honderd jaar, ingenieurs hebben om verschillende redenen gemodelleerd hoe meerdere vloeistoffen door rotsen stromen. Bijvoorbeeld, Door de vloeistofstroom te modelleren, kunnen ingenieurs bepalen hoe olie en gas moeten worden gewonnen. Begrijpen hoe zeewater door rotsen stroomt, geeft inzicht in de vluchtigheid van de aardkorst, en door te voorspellen hoe zoet water door rotsen stroomt, kunnen ingenieurs de watervoorraden beheren. Recenter, ingenieurs hebben gemodelleerd hoe CO? stroomt door gesteente als onderdeel van CCS.

Eerder, wetenschappers hebben een formule gebruikt om te modelleren hoe vloeistoffen door rotsen bewegen. Het wordt de uitgebreide wet van Darcy genoemd en het uitgangspunt is dat gassen door gesteente bewegen via hun eigen afzonderlijke, stal, complex, microscopische paden. Dit is de onderliggende benadering die ingenieurs de afgelopen 100 jaar hebben gebruikt om de vloeistofstroom te modelleren.

Echter, de keizerlijke wetenschappers hebben ontdekt dat in plaats van in een relatief stabiel patroon door rotsen te stromen, de stromen zijn namelijk erg instabiel. De paden waar vloeistoffen doorheen stromen, duren eigenlijk maar kort, hoogstens tientallen seconden, alvorens te herschikken en te vormen tot verschillende. Het team heeft dit proces dynamische connectiviteit genoemd.

Het belang van de ontdekking van dynamische connectiviteit is dat ingenieurs over de hele wereld nu nauwkeuriger kunnen modelleren hoe vloeistoffen door gesteente stromen.

Dokter Catriona Reynolds, hoofdauteur van de studie die haar doctoraat behaalde bij de afdeling Aardwetenschappen en Engineering van Imperial, zei:"Proberen te modelleren hoe vloeistoffen op grote schaal door gesteente stromen, is een grote wetenschappelijke en technische uitdaging gebleken. Ons vermogen om te voorspellen hoe deze vloeistoffen in de ondergrond stromen, is niet veel beter dan 50 jaar geleden, ondanks grote vooruitgang in computermodelleringstechnologie. Ingenieurs vermoeden al lang dat er enkele grote lacunes waren in ons begrip van de onderliggende fysica van vloeistofstroming. Onze nieuwe waarnemingen in deze studie zullen ingenieurs dwingen hun modelleringstechnieken opnieuw te evalueren, het vergroten van hun nauwkeurigheid."

Om de 3D-beelden te maken, gebruikten de onderzoekers in het onderzoek van vandaag de synchrotron-deeltjesversneller bij de Diamond Light Source. De synchrotron stelt de onderzoekers in staat om 3D-beelden te maken met snelheden die veel sneller zijn dan een conventioneel laboratoriumröntgeninstrument - ongeveer 45 seconden vergeleken met uren voor een laboratoriuminstrument. Hierdoor konden ze de dynamiek zien, die nog niet eerder waren waargenomen.

Echter, een nog hogere tijdsresolutie zou de waarnemingen aanzienlijk verbeteren. Deze vloeiende banen herschikken zichzelf snel, dus idealiter zou het team willen dat de waarnemingen elke 100ste van een seconde vastleggen. Deze tijdresolutie is op dit moment alleen mogelijk met optisch licht van microscopen in combinatie met hogesnelheidscamera's. Echter, ze zijn beperkt in hun vermogen om vloeistoffen te observeren die door echte rotsen bewegen.

In de volgende stappen zal het team proberen dit technologische obstakel te overwinnen met behulp van een combinatie van nieuwe optische en röntgenbeeldvormingstechnieken. Dit zou hen in staat kunnen stellen om vloeistofstroming op grote schaal te modelleren, die van nut zouden zijn voor het modelleren van CO2-opslag, de productie van olie en gas, en de migratie van vloeistoffen diep in de aardkorst.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences en gefinancierd door Engineering and Physical Science Research Council's Doctoral Training Scholarship Scheme en ondersteund door het Qatar Carbonates and Carbon Storage Research Centre, gezamenlijk gefinancierd door Qatar Petroleum, Shell en het Qatar Science and Technology Park.