Gli scienziati della Stanford University hanno sviluppato una nuova soluzione per la sfida di assicurarsi che quando l'anidride carbonica (CO₂ ) viene iniettato sottoterra, in realtà rimane fermo.

Per decenni, i modelli climatici hanno previsto che le ondate di calore estremo del tipo sperimentato da milioni di persone quest'estate sarebbero diventate molto più comuni ai livelli dei gas che riscaldano il pianeta ora presenti nell'atmosfera terrestre. Poiché le emissioni e le temperature continuano ad aumentare, c'è un crescente consenso scientifico sul fatto che i paesi dovranno rimuovere e gestire attivamente la CO₂ affinché il mondo eviti il ​​riscaldamento oltre la soglia di 1,5 gradi Celsius al di sopra dei livelli preindustriali.

Un metodo ampiamente studiato per mantenere il carbonio rimosso dall'atmosfera a lungo termine prevede l'iniezione di CO₂ nelle formazioni rocciose in profondità nel sottosuolo. Ma ci sono ancora domande da risolvere.

"L'iniezione di anidride carbonica nelle formazioni di stoccaggio può portare a reazioni geochimiche complesse, alcune delle quali possono causare cambiamenti strutturali drammatici nella roccia difficili da prevedere", ha affermato Ilenia Battiato, ricercatrice principale dello studio e assistente professore di ingegneria delle risorse energetiche presso Scuola di Scienze della Terra, dell'Energia e dell'Ambiente di Stanford (Stanford Earth).

Reazioni a catena

Per anni gli scienziati della Terra hanno simulato il flusso dei fluidi, le reazioni e la meccanica delle rocce per cercare di prevedere come iniezioni di CO₂ o altri fluidi influenzeranno una determinata formazione rocciosa.

I modelli esistenti, tuttavia, non prevedono in modo affidabile l'interazione e le conseguenze complete delle reazioni geochimiche, che spesso producono sigilli più stretti tappando efficacemente i percorsi con minerali disciolti, ma possono anche portare a crepe e wormhole che possono consentire all'anidride carbonica sepolta di influenzare l'acqua potabile o fuggire nell'atmosfera, dove contribuirebbe al cambiamento climatico. "Queste reazioni sono onnipresenti. Dobbiamo capirle perché controllano l'efficacia del sigillo", ha detto Battiato.

Una delle principali sfide di modellazione è incentrata sull'ampia gamma di scale temporali e spaziali su cui i processi interagenti si svolgono simultaneamente sottoterra. Alcune reazioni svaniscono in meno di un secondo, mentre altre continuano per mesi o addirittura anni. Con il progredire delle reazioni, la miscela in evoluzione e la concentrazione di vari minerali in un dato pezzo di roccia, e le modifiche alla geometria e alla chimica della superficie della roccia, influenzano la chimica del fluido, che a sua volta influisce sulle fratture e sui possibili percorsi per le perdite.

Lab su un chip

La nuova soluzione, descritta il 1 agosto in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , utilizza un dispositivo microfluidico, o ciò che gli scienziati chiamano spesso "laboratorio su un chip". In questo caso, i ricercatori lo chiamano "roccia su un chip", perché la tecnologia prevede l'incorporamento di un minuscolo frammento di roccia di scisto in una cellula microfluidica.

Per dimostrare il loro dispositivo, i ricercatori hanno utilizzato otto campioni di roccia prelevati dallo scisto Marcellus in West Virginia e dallo scisto Wolfcamp in Texas. Hanno tagliato e levigato le schegge di roccia in pezzetti non più grandi di pochi granelli di sabbia, ciascuno contenente quantità e disposizioni variabili di minerali di carbonato reattivo. I ricercatori hanno posizionato i campioni in una camera polimerica sigillata in vetro, con due minuscoli ingressi lasciati aperti per iniezioni di soluzioni acide. Telecamere e microscopi ad alta velocità hanno permesso loro di osservare passo dopo passo come le reazioni chimiche causavano la dissoluzione e la riorganizzazione dei singoli grani minerali nei campioni.

L'idea di miniaturizzare la ricerca che un tempo richiedeva grandi laboratori attraversa le scienze della Terra, la biomedicina, la chimica e altri campi, ha affermato il coautore dello studio Anthony R. Kovscek, professore di Keleen e Carlton Beal presso la Stanford Earth e ricercatore presso lo Stanford's Precourt Institute per l'Energia. "Se riesci a vederlo, puoi descriverlo meglio. Queste osservazioni hanno una connessione diretta con la nostra capacità di valutare e ottimizzare i progetti per la sicurezza", ha affermato. Oggi, Kovscek afferma che i geologi nei siti di trivellazione possono esaminare le rocce al microscopio, ma nessuna tecnologia attuale si avvicina al livello di dettaglio possibile con questo nuovo dispositivo:"Non esiste nulla di questo tipo per osservare davvero come stanno cambiando le forme dei grani". P>

Ottimizzazione per la sicurezza

Il miglioramento dei modelli di trasporto reattivi è una questione di crescente urgenza, dato il ruolo della rimozione del carbonio nei piani del governo per affrontare il cambiamento climatico e le centinaia di milioni di dollari che ora affluiscono alla nascente tecnologia da investitori privati. Progetti esistenti per la rimozione di CO₂ direttamente dall'atmosfera operano solo su scala pilota. Quelli che catturano le emissioni alla fonte sono più comuni, con oltre 100 progetti in via di sviluppo in tutto il mondo e il governo degli Stati Uniti che ora si prepara a spendere 8,2 miliardi di dollari attraverso il disegno di legge bipartisan per la cattura e lo stoccaggio del carbonio dagli impianti industriali.

Non tutti i piani di stoccaggio del carbonio prevedono il seppellimento del carbonio nel sottosuolo. Quelli che coinvolgono lo stoccaggio geologico, tuttavia, potrebbero essere aiutati e possibilmente resi più stabili e sicuri con la nuova tecnologia di Stanford. "I ricercatori devono incorporare questa conoscenza nei loro modelli per fare buone previsioni su cosa accadrà una volta iniettata CO₂ , per assicurarsi che rimanga lì e non faccia cose strane", ha detto Battiato.

Guardando al futuro, Battiato e colleghi hanno in programma di utilizzare la stessa piattaforma per studiare le reazioni geochimiche innescate da iniezioni di acque reflue provenienti dalla produzione di petrolio, dagli impianti di desalinizzazione o dall'industria, nonché dall'idrogeno, che figura nei piani degli Stati Uniti e dell'UE per ridurre drasticamente le emissioni entro il 2050. Sebbene lo stoccaggio sotterraneo dell'idrogeno sia spesso citato come una soluzione promettente alla sfida ripida e persistente di garantire uno stoccaggio sicuro del gas altamente infiammabile su larga scala, testarlo anche su scala pilota richiederà migliori strumenti di screening e comprensione delle reazioni biogeochimiche. + Esplora ulteriormente

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