I combustibili fossili che forniscono gran parte dell'energia mondiale hanno origine in un tipo di roccia noto come kerogen, e il potenziale per il recupero di questi combustibili dipende in modo cruciale dalle dimensioni e dalla connessione degli spazi interni dei pori delle rocce.

Ora, per la prima volta, un team di ricercatori del MIT e altrove ha catturato immagini tridimensionali della struttura interna del kerogen, con un livello di dettaglio oltre 50 volte maggiore di quanto precedentemente raggiunto. Queste immagini dovrebbero consentire previsioni più accurate di quanto petrolio o gas possono essere recuperati da una data formazione. Questo non cambierebbe la capacità di recuperare questi combustibili, ma potrebbe, Per esempio, portare a migliori stime delle riserve recuperabili di gas naturale, che è visto come un importante carburante di transizione mentre il mondo cerca di frenare l'uso di carbone e petrolio.

I risultati sono riportati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , in un articolo del ricercatore senior del MIT Roland Pellenq, Professore del MIT Franz-Josef Ulm, e altri al MIT, CNRS e Aix-Marseille Université (AMU) in Francia, e Shell Technology Center di Houston.

Il gruppo, che ha pubblicato i risultati due anni fa su un'indagine sulla struttura dei pori del kerogene basata su simulazioni al computer, ha utilizzato un metodo relativamente nuovo chiamato tomografia elettronica per produrre le nuove immagini 3D, che hanno una risoluzione inferiore a 1 nanometro, o miliardesimo di metro. I precedenti tentativi di studiare la struttura del kerogene non avevano mai visualizzato il materiale con una risoluzione inferiore a 50 nanometri, dice Pellenq.

combustibili fossili, come suggerisce il nome, forma quando la materia organica come le piante morte viene sepolta e mescolata con limo a grana fine. Man mano che questi materiali vengono sepolti più in profondità, nel corso di milioni di anni la miscela viene cotta in una matrice minerale inframmezzata da una miscela di molecole a base di carbonio. Col tempo, con più calore e pressione, la natura di quella struttura complessa cambia.

Il processo, una lenta pirolisi, implica "cucinare ossigeno e idrogeno, e alla fine, prendi un pezzo di carbone, "Spiega Pellenq. "Ma in mezzo, ottieni tutta questa gradazione di molecole, " molti di loro combustibili utili, lubrificanti, e materie prime chimiche.

I nuovi risultati mostrano per la prima volta una notevole differenza nella nanostruttura del cherogeno a seconda della sua età. Il cherogeno relativamente immaturo (la cui età effettiva dipende dalla combinazione di temperature e pressioni a cui è stato sottoposto) tende ad avere pori molto più grandi ma quasi nessuna connessione tra quei pori, rendendo molto più difficile l'estrazione del carburante. Cherogeno maturo, al contrario, tende ad avere pori molto più piccoli, ma questi sono ben collegati in una rete che consente al gas o al petrolio di fluire facilmente, rendendo molto più recuperabile, spiega Pellenq.

Lo studio rivela anche che le dimensioni tipiche dei pori in queste formazioni sono così piccole che le normali equazioni idrodinamiche utilizzate per calcolare il modo in cui i fluidi si muovono attraverso i materiali porosi non funzioneranno. A questa scala il materiale è in così stretto contatto con le pareti dei pori che le interazioni con la parete ne dominano il comportamento. Il team di ricerca ha quindi dovuto sviluppare nuovi metodi per calcolare il comportamento del flusso.

"Non esiste un'equazione fluidodinamica che funzioni in questi pori su scala subnano, " dice. "Nessuna fisica del continuum funziona a quella scala."

Per ottenere queste immagini dettagliate della struttura, il team ha utilizzato la tomografia elettronica, in cui un piccolo campione del materiale viene ruotato all'interno del microscopio mentre un fascio di elettroni sonda la struttura per fornire sezioni trasversali con un angolo dopo l'altro. Questi vengono quindi combinati per produrre una ricostruzione 3D completa della struttura dei pori. Mentre gli scienziati usavano la tecnica da alcuni anni, non l'avevano applicato alle strutture del kerogene fino ad ora. L'imaging è stato effettuato presso il laboratorio CINaM del CNRS e dell'AMU, in Francia (nel gruppo di Daniel Ferry), come parte di una collaborazione a lungo termine con MultiScale Materials Science for Energy and Environment, il laboratorio congiunto MIT/CNRS/AMU situato al MIT.

"Con questa nuova tomografia su scala nanometrica, possiamo vedere dove si trovano effettivamente le molecole di idrocarburi all'interno della roccia, " dice Pellenq. Una volta ottenute le immagini, i ricercatori sono stati in grado di usarli insieme a modelli molecolari della struttura, per migliorare la fedeltà delle loro simulazioni e calcoli di portate e proprietà meccaniche. Ciò potrebbe far luce su come i tassi di produzione diminuiscano nei pozzi di petrolio e gas, e forse su come rallentare quel declino.

Finora, il team ha studiato campioni provenienti da tre diverse posizioni del kerogene e ha trovato una forte correlazione tra la maturità della formazione e la sua distribuzione delle dimensioni dei pori e la connettività dei vuoti dei pori. I ricercatori ora sperano di espandere lo studio a molti più siti e di derivare una formula robusta per prevedere la struttura dei pori basata sulla maturità di un determinato sito.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.