La fratturazione idraulica contribuisce in modo significativo alla produzione di energia degli Stati Uniti. Funziona toccando sacche di petrolio e gas naturale difficili da raggiungere dove i metodi di perforazione più tradizionali non sono all'altezza. Però, il processo richiede grandi quantità di acqua e prodotti chimici, che possono avere un impatto negativo sulla salute pubblica e sull'ambiente.

Un team di ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) sta utilizzando una combinazione di neutroni e diffusione di raggi X per rendere il processo più sicuro ed efficiente. Vogliono migliorare la fratturazione idraulica, o fracking, facendo saltare bene le superfici, o annoia, con energia acustica, che aumenterebbe la capacità del fracking di penetrare nelle fratture nei pozzi e ridurrebbe drasticamente le quantità di acqua e sostanze chimiche necessarie.

"C'è un enorme vantaggio per il fracking di pozzi di petrolio e gas con meno prodotti chimici e acqua, " ha detto Richard Hale, un ricercatore della direzione della scienza e dell'ingegneria nucleare dell'ORNL che studia se l'energia acustica può essere utilizzata a tale scopo.

Hale afferma che l'idea è quella di alterare la struttura essenziale di un pozzo con vibrazioni ultrasoniche per consentire a petrolio e gas di fluire in modo più efficace. In primis, l'energia acustica è stata utilizzata per rimuovere i detriti all'interno e intorno alla superficie del pozzo, ma Hale e il team vogliono portare questo concetto al livello successivo per vedere se l'energia acustica può alterare la porosità e la permeabilità delle formazioni molto al di sotto della superficie per raggiungere sacche più isolate di petrolio e gas naturale.

"Si tratta di fornire energia alla formazione per rilasciare idrocarburi, " ha spiegato la ricercatrice dell'ORNL Joanna McFarlane.

"Pensa a una spugna piena d'acqua, " Ha aggiunto Hale. "L'acqua non esce dai pori finché non la strizzi. L'energia acustica è davvero, davvero bravo a spremere questi pori. In esperimenti di piccole dimensioni del campione di carota posti in bagni acustici, possiamo vedere il petrolio scorrere facilmente e rapidamente dalla roccia."

I neutroni sono unicamente in grado di penetrare in profondità nei materiali, rendendoli perfetti per il tipo di esperimenti che il team vuole eseguire. L'utilizzo della linea di luce Cold Neutron Imaging CG-1D presso l'High Flux Isotope Reactor (HFIR) dell'ORNL ha consentito al team di studiare le interazioni fondamentali su scala atomica. Quando i campioni di minerale vengono posti in un bagno d'acqua ed esposti a vibrazioni ultrasoniche, le immagini ottenute dai dati dei neutroni mostrano ai ricercatori con dettagli senza precedenti come i fluidi reagiscono e si muovono attraverso i pori della roccia.

"HFIR è come una grande torcia elettrica, e con quella grande torcia, quel grande flusso costante di neutroni, possiamo vedere più chiaramente l'interazione tra fluidi e strutture, "Ha detto.

Hale osserva inoltre che condurre la ricerca presso l'ORNL consente al team di accedere a esperti di spicco in una pletora di campi complementari, rendendo il suo gruppo di ricerca un team di livello mondiale di illustri scienziati e ingegneri.

"La cosa meravigliosa è che non importa quale idea tu abbia, c'è qualcuno qui al laboratorio che è un esperto. Devi solo trovarli, " Egli ha detto. " Voglio dire, tutta questa cosa è iniziata durante una conversazione durante la pausa pranzo."

Hale dice che indagare su questo concetto non sarebbe possibile senza esperienza in campi così vari come la geologia, scienza dei neutroni, raggi X, e acustica ultrasonica.

L'analisi dei dati fluidodinamici e strutturali generati dagli esperimenti può essere impegnativa dal punto di vista computazionale. Per una migliore analisi, JeanBilheux, da Neutron Data Sciences di ORNL, software sviluppato utilizzando Jupyter Notebook, una piattaforma di programmazione open source che ha permesso al team di visualizzare e interagire con i dati poco dopo la conclusione della sperimentazione.

"I notebook Jupyter facilitano enormemente l'analisi dei dati, " ha detto McFarlane. "Anche se possiamo osservare i cambiamenti nei campioni di scisto in tempo reale nelle radiografie, saranno i risultati quantitativi che ci faranno guadagnare finanziamenti futuri".

Oltre a Hale e McFarlane, il team di ricerca comprende Stephen Oliver, Ayyoub M. Momen, Bruce Patton, Larry Anovitz, Filippo Bingham, e lo staff della linea di luce presso l'HFIR CG-1D Imaging Instrument—Hassina Bilheux, Jean-Christophe Bilheux, e Paris Cornwell.

Se il team riesce a dimostrare con successo che l'energia acustica è un metodo praticabile per il fracking, sperano di trovare un partner industriale che possa aiutarli a portare l'idea nella prossima fase di sviluppo.

La ricerca è stata supportata dall'Office of Science del DOE, Ufficio di Scienze Energetiche di Base, Scienze chimiche, geoscienze, e Divisione di Bioscienze.