Wetenschappers van Stanford University hebben een nieuwe oplossing ontwikkeld voor de uitdaging om ervoor te zorgen dat wanneer kooldioxide (CO₂ ) ondergronds wordt geïnjecteerd, blijft het eigenlijk zitten.

Decennia lang hebben klimaatmodellen voorspeld dat extreme hittegolven van het soort waar miljoenen mensen deze zomer mee te maken hebben gehad, veel vaker zouden voorkomen op de niveaus van planeetverwarmende gassen die nu in de atmosfeer van de aarde aanwezig zijn. Naarmate de uitstoot en temperaturen blijven stijgen, is er een groeiende wetenschappelijke consensus dat landen CO₂ actief moeten verwijderen en beheren. voor de wereld om opwarming boven de drempel van 1,5 graad Celsius boven het pre-industriële niveau te voorkomen.

Een veel bestudeerde methode om verwijderde koolstof op lange termijn uit de atmosfeer te houden, is het injecteren van CO₂ diep onder de grond in rotsformaties. Maar er zijn nog vragen die moeten worden uitgewerkt.

"Injectie van koolstofdioxide in opslagformaties kan leiden tot complexe geochemische reacties, waarvan sommige dramatische structurele veranderingen in het gesteente kunnen veroorzaken die moeilijk te voorspellen zijn", zegt Ilenia Battiato, de primaire onderzoeker van het onderzoek en een assistent-professor energiebronnentechniek bij Stanford's School of Earth, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth).

Kettingreacties

Aardwetenschappers hebben jarenlang vloeistofstroming, reacties en gesteentemechanica gesimuleerd om te proberen te voorspellen hoe injecties van CO₂ of andere vloeistoffen zullen een bepaalde rotsformatie aantasten.

Bestaande modellen voorspellen echter niet op betrouwbare wijze het samenspel en de volledige gevolgen van geochemische reacties, die vaak nauwere afdichtingen produceren door paden effectief af te sluiten met opgeloste mineralen, maar ook kunnen leiden tot scheuren en wormgaten waardoor begraven koolstofdioxide het drinkwater kan beïnvloeden of ontsnappen naar de atmosfeer, waar het zou bijdragen aan klimaatverandering. "Deze reacties zijn alomtegenwoordig. We moeten ze begrijpen omdat ze de effectiviteit van de zeehond bepalen," zei Battiato.

Een van de belangrijkste uitdagingen op het gebied van modellering is het brede scala aan tijd- en ruimtelijke schalen waarop interagerende processen zich gelijktijdig ondergronds ontvouwen. Sommige reacties verdwijnen in minder dan een seconde, terwijl andere maanden of zelfs jaren aanhouden. Naarmate de reacties voortschrijden, beïnvloeden de zich ontwikkelende mix en concentratie van verschillende mineralen in een bepaald stuk gesteente, en veranderingen in de geometrie en chemie van het gesteenteoppervlak, de vloeistofchemie, die op zijn beurt breuken en mogelijke paden voor lekken beïnvloedt.

Lab op een chip

De nieuwe oplossing, beschreven op 1 augustus in Proceedings of the National Academy of Sciences , maakt gebruik van een microfluïdica-apparaat, of wat wetenschappers vaak een 'lab op een chip' noemen. In dit geval noemen de onderzoekers het een "rots op een chip", omdat de technologie erin bestaat een klein stukje schaliesteen in een microfluïdische cel in te bedden.

Om hun apparaat te demonstreren, gebruikten de onderzoekers acht gesteentemonsters uit de Marcellus-schalie in West Virginia en de Wolfcamp-schalie in Texas. Ze sneden en polijstten de reepjes steen tot stukjes die niet groter waren dan een paar zandkorrels, en elk daarvan bevatte verschillende hoeveelheden en arrangementen van reactieve carbonaatmineralen. De onderzoekers plaatsten de monsters in een polymeerkamer verzegeld in glas, met twee kleine inhammen opengelaten voor injecties van zure oplossingen. Met hogesnelheidscamera's en microscopen konden ze stap voor stap zien hoe chemische reacties ervoor zorgden dat individuele mineraalkorrels in de monsters oplosten en herschikten.

Het idee om onderzoek te miniaturiseren waarvoor ooit grote laboratoria nodig waren, snijdt door aardwetenschappen, biogeneeskunde, scheikunde en andere gebieden, zei co-auteur van de studie Anthony R. Kovscek, de Keleen en Carlton Beal Professor aan Stanford Earth en een senior fellow bij Stanford's Precourt Institute voor Energie. "Als je het kunt zien, kun je het beter beschrijven. Deze observaties hebben een direct verband met ons vermogen om ontwerpen te beoordelen en te optimaliseren voor veiligheid", zei hij. Tegenwoordig zegt Kovscek dat geologen op boorlocaties stenen onder een microscoop kunnen onderzoeken, maar dat geen van de huidige technologieën het niveau van detail dat mogelijk is met dit nieuwe apparaat benadert:"Er bestaat niets van dit soort om echt te kijken naar hoe de korrelvormen veranderen."

Optimaliseren voor veiligheid

Het verbeteren van reactieve transportmodellen is een kwestie van toenemende urgentie, gezien de rol van koolstofverwijdering in overheidsplannen om klimaatverandering aan te pakken en de honderden miljoenen dollars die nu van particuliere investeerders naar de ontluikende technologie stromen. Bestaande projecten voor het verwijderen van CO₂ rechtstreeks uit de atmosfeer werken alleen op pilootschaal. Degenen die emissies bij de bron opvangen, komen vaker voor, met meer dan 100 projecten in ontwikkeling over de hele wereld en de Amerikaanse regering bereidt zich nu voor om $ 8,2 miljard uit te geven via de tweeledige infrastructuurwet voor koolstofafvang en -opslag van industriële faciliteiten.

Niet alle plannen voor koolstofopslag omvatten het ondergronds begraven van koolstof. Degenen die wel geologische opslag omvatten, kunnen echter worden geholpen en mogelijk stabieler en veiliger worden gemaakt met de nieuwe Stanford-technologie. "Onderzoekers moeten deze kennis in hun modellen opnemen om goede voorspellingen te kunnen doen over wat er gaat gebeuren als je CO₂ injecteert. , om ervoor te zorgen dat het daar blijft en geen vreemde dingen doet", zei Battiato.

Wat de toekomst betreft, zijn Battiato en collega's van plan hetzelfde platform te gebruiken om geochemische reacties te bestuderen die worden veroorzaakt door injecties van afvalwater van olieproductie, ontziltingsinstallaties of de industrie, evenals waterstof, wat een rol speelt in de plannen van de VS en de EU om de uitstoot tegen 2050 te verminderen. Hoewel ondergrondse waterstofopslag vaak wordt genoemd als een veelbelovende oplossing voor de steile en aanhoudende uitdaging om te zorgen voor veilige opslag van het licht ontvlambare gas op grote schaal, zal het testen ervan op zelfs pilootschaal betere screeningtools en begrip van biogeochemische reacties vereisen. + Verder verkennen

Reacties waarbij koolstof ondergronds wordt opgeslagen, kunnen barsten veroorzaken, wat goed nieuws is