Gas naturale e petrolio greggio rinchiusi all'interno di strati di scisto, un tipo di roccia sedimentaria, è una delle fonti energetiche più grandi e in più rapida crescita della nazione. Secondo Drew Pomerantz, uno scienziato alla Schlumberger, una società di servizi petroliferi, due delle domande scientifiche più affascinanti relative agli scisti sono di cosa sono composti e come petrolio e gas vengono immagazzinati e trasportati nelle rocce.

Per affrontare queste domande, Pomerantz e il suo team hanno stretto una collaborazione con Dimosthenis Sokaras, uno scienziato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia. Utilizzando la sorgente luminosa a radiazione di sincrotrone di Stanford di SLAC (SSRL), i ricercatori stanno sviluppando tecniche per studiare le forme naturali di carbonio come quella che si trova nello scisto.

All'inizio di quest'anno, hanno pubblicato un articolo in Energia e combustibili su un'ampia varietà di forme di carbonio presenti in natura, compreso il cherogeno, che è il carbonio organico che si trova nelle rocce sedimentarie ed è la forma più abbondante di carbonio organico presente in natura nella crosta terrestre.

Questi materiali possono essere principalmente aromatici, contenenti atomi di carbonio collegati da forti, legami rigidi, come nella grafite o nel carbone, o per lo più alifatici, contenente atomi di carbonio collegati da debole, legami flessibili, come in cera o olio. I ricercatori hanno scoperto che, nonostante queste differenze fondamentali, il carbonio aromatico è sempre strutturato allo stesso modo.

Perché è importante studiare il carbonio?

Sokaras:il carbonio è ovunque, e si presenta in così tante forme diverse. Sebbene tutte queste forme siano composte dallo stesso elemento, la disposizione dei loro elettroni, e quindi il loro legame, porta a proprietà molto diverse

Pomerantz:In natura, hai un po' di carbonio nell'aria e sulla superficie terrestre, un po' di carbonio nei laghi e negli oceani, ma la parte del leone del carbonio organico del pianeta è in realtà sotterranea. E più ti avvicini al centro della Terra, più alte sono le temperature e le pressioni, che cambia la chimica dei materiali. Questi cambiamenti, che alla fine può portare alla formazione di petrolio e gas, risultato di un processo noto come "maturazione termica". Abbiamo voluto studiare campioni rappresentativi delle molte diverse forme di carbonio organico presente in natura, inclusi campioni con diverse scadenze termiche.

La nostra speranza è che se riusciamo a comprendere la struttura delle formazioni di carbonio in cui viene prodotto il petrolio e i processi chimici e fisici che si verificano in esse, possiamo fare previsioni migliori su dove trovare petrolio e come estrarlo dal suolo. Questo può anche insegnarci cosa succede quando cerchiamo di rimuovere l'anidride carbonica dall'atmosfera seppellendola sottoterra, dove interagisce con il carbonio organico che è già lì dentro.

Quali progressi sono stati fatti finora su questo fronte in SSRL?

Pomerantz:Nel 2018, abbiamo pubblicato un documento fondamentale nel Journal of Physical Chemistry A in cui abbiamo scoperto che la struttura del carbonio aromatico si riflette nei suoi spettri a raggi X e che la struttura potrebbe essere misurata sperimentalmente utilizzando una forma unica di spettroscopia a raggi X presso SSRL.

Nel nostro articolo più recente, abbiamo preso ciò che abbiamo imparato nel nostro lavoro precedente e l'abbiamo applicato a materiali del mondo reale per vedere se potevamo usare la nostra tecnica per differenziarli. Oltre a esaminare campioni di cherogeno in una gamma di tipi e scadenze termiche, abbiamo esaminato le forme di carbonio da una varietà di materiali freschi, come le alghe e i materiali vegetali, e da materiali a base di carbone e petrolio. Abbiamo mostrato che tutti questi materiali condividono una comunanza:per la parte dei materiali che sono composti da carbonio aromatico, che il carbonio aromatico ha sempre la stessa struttura. Poiché la struttura del carbonio aromatico ne controlla le proprietà e le reattività, questi risultati aiutano a spiegare alcune delle reazioni chimiche che avvengono in natura, compresi quelli coinvolti nella creazione di petrolio.

Cosa ti ha permesso di ottenere questi risultati?

Sokara:Nel corso degli anni, i ricercatori hanno sviluppato una serie di tecniche in grado di separare sensibilmente le varie forme di carbonio nei sistemi modello. Però, quando ti sposti verso esemplari naturali del mondo reale, le cose potrebbero diventare un po' più disordinate. Infatti, tali campioni possono essere costituiti da complesse miscele disomogenee di materiali organici e spesso essere in un non solido, fase liquido-denso. Tali casi sono difficili da studiare utilizzando tecniche più tradizionali con requisiti di vuoto ultraelevato o sensibilità superficiale. Alla SSRL, abbiamo sviluppato duro, o ad alta energia, Tecniche di diffusione anelastica di raggi X che ci consentono di analizzare chimicamente queste forme di carbonio in campioni naturali "così come sono", fornendo informazioni sulla chimica del materiale organico come lo scisto.

Quali sono i prossimi passi? Dove speri che porti questa ricerca?

Pomerantz:Questi studi hanno fornito una comprensione concettuale della struttura di un'ampia classe di molecole organiche e, si spera, verranno utilizzati in futuro per migliorare non solo il processo di produzione di petrolio e gas dagli scisti, ma anche il processo di stoccaggio dell'anidride carbonica negli scisti. .

Sokara:da una prospettiva SLAC, stiamo anche cercando di vedere come possiamo coinvolgere altri scienziati nella comunità energetica e dimostrare il valore dei nostri metodi sperimentali. Ci auguriamo che fornendo informazioni chiave sui composti legati al petrolio e mostrando come le tecniche che sviluppiamo qui siano applicabili ai problemi del mondo reale a cui sono interessate le compagnie petrolifere, possiamo far crescere ulteriormente il nostro programma scientifico incentrato sull'energia.