Gli ingegneri dell'Imperial College di Londra hanno dissipato una legge scientifica vecchia di 100 anni usata per descrivere come il fluido scorre attraverso le rocce.

La scoperta da parte dei ricercatori di Imperial potrebbe portare a una serie di miglioramenti, compresi i progressi nella cattura e nello stoccaggio del carbonio (CCS). È qui che le emissioni industriali verranno catturate dalla tecnologia CCS, prima di raggiungere l'atmosfera, e conservati in modo sicuro nella roccia in profondità nel sottosuolo.

Miglia sotto la superficie della Terra diversi tipi di fluidi scorrono attraverso gli spazi microscopici tra i grani all'interno delle rocce.

Gli scienziati del College hanno utilizzato la struttura Diamond Light Source nel Regno Unito per realizzare video 3D che mostrano in modo più dettagliato che mai come i fluidi si muovono attraverso la roccia.

Da oltre cento anni, gli ingegneri hanno modellato il modo in cui più fluidi scorrono attraverso le rocce per una serie di motivi. Per esempio, la modellazione del flusso del fluido consente agli ingegneri di determinare come estrarre petrolio e gas. Comprendere come l'acqua di mare scorre attraverso le rocce fornisce informazioni sulla volatilità della crosta terrestre, e prevedere come l'acqua dolce scorre attraverso le rocce consente agli ingegneri di gestire le risorse idriche. Più recentemente, ingegneri hanno modellato come CO? scorre attraverso la roccia come parte di CCS.

In precedenza, gli scienziati hanno usato una formula per modellare il modo in cui i fluidi si muovono attraverso le rocce. Si chiama Legge estesa di Darcy e la premessa è che i gas si muovono attraverso la roccia attraverso il loro separato, stabile, complesso, vie microscopiche. Questo è stato l'approccio alla base utilizzato dagli ingegneri per modellare il flusso dei fluidi negli ultimi 100 anni.

Però, gli scienziati imperiali hanno scoperto che invece di fluire secondo uno schema relativamente stabile attraverso le rocce, i flussi sono infatti molto instabili. I percorsi attraverso i quali scorrono i fluidi in realtà durano solo per un breve periodo di tempo, decine di secondi al massimo, prima di riordinare e formare in diversi. Il team ha chiamato questo processo connettività dinamica.

L'importanza della scoperta della connettività dinamica è che gli ingegneri di tutto il mondo saranno ora in grado di modellare in modo più accurato come i fluidi scorrono attraverso la roccia.

Dott.ssa Catriona Reynolds, autore principale dello studio che ha completato il suo dottorato di ricerca presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria della Terra dell'Imperial, ha dichiarato:"Cercare di modellare come i fluidi scorrono attraverso la roccia su larga scala si è rivelato una grande sfida scientifica e ingegneristica. La nostra capacità di prevedere come questi fluidi scorrono nel sottosuolo non è molto migliore di quanto non fosse 50 anni fa, nonostante i grandi progressi nella tecnologia di modellazione al computer. Gli ingegneri sospettano da tempo che ci fossero alcune importanti lacune nella nostra comprensione della fisica sottostante del flusso dei fluidi. Le nostre nuove osservazioni in questo studio costringeranno gli ingegneri a rivalutare le loro tecniche di modellazione, aumentando la loro precisione."

Per creare le immagini 3D i ricercatori nello studio di oggi hanno utilizzato l'acceleratore di particelle di sincrotrone presso la Diamond Light Source. Il sincrotrone consente ai ricercatori di acquisire immagini 3D a velocità molto più elevate rispetto a uno strumento a raggi X di laboratorio convenzionale, circa 45 secondi rispetto alle ore di uno strumento di laboratorio. Questo ha permesso loro di vedere le dinamiche, che prima non era stato osservato.

Però, una risoluzione temporale ancora più elevata migliorerebbe significativamente le osservazioni. Questi percorsi fluidi si riorganizzano rapidamente, quindi idealmente il team vorrebbe che le osservazioni catturassero ogni centesimo di secondo. Questa risoluzione temporale è possibile solo ora utilizzando la luce ottica dei microscopi combinata con fotocamere ad alta velocità. Però, sono limitati nella loro capacità di osservare i fluidi che si muovono attraverso le rocce reali.

I prossimi passi vedranno il team tentare di superare questo ostacolo tecnologico utilizzando una combinazione di nuove tecniche di imaging ottico e a raggi X. Ciò potrebbe consentire loro di modellare il flusso del fluido su larga scala, che sarebbe utile per modellare lo stoccaggio di CO2, la produzione di petrolio e gas, e la migrazione di fluidi in profondità nella crosta terrestre.

La ricerca è pubblicata oggi sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze e finanziato dal programma di borse di studio per la formazione dottorale del Consiglio di ricerca in scienze fisiche e ingegneristiche e supportato dal Qatar Carbonates and Carbon Storage Research Centre, finanziato congiuntamente da Qatar Petroleum, Shell e il Parco Scientifico e Tecnologico del Qatar.