Hurtig billeddannelse af granulært stof

Granulære systemer som grus eller pulvere kan findes overalt, men at studere dem er ikke let. Forskere ved ETH Zürich har nu udviklet en metode, hvorved billeder af indersiden af ​​granulære systemer kan tages ti tusinde gange hurtigere end før.

Selv i vores moderne verden fuld af højteknologiske maskiner og apparater er det stadig umuligt at forudsige, hvornår klippeskred, som den seneste i Graubünden, eller jordskælv vil forekomme, og hvordan de præcist udvikler sig. Det skyldes blandt andet, at trods mange års forskning, forskere er kun lige begyndt at forstå adfærd af grus og sand, især når det blandes med vand eller gasser.

Et team af forskere ledet af Christoph Müller ved Institut for Mekanik og Procesteknik ved ETH Zürich og Klaas Prüssmann ved Institut for Biomedicinsk Teknik ved ETH og Universitetet i Zürich, sammen med kolleger på Osaka University i Japan, har nu udviklet en ny teknik, der kunne gøre det meget lettere at studere sådanne fænomener i fremtiden. Mange naturfænomener og naturkatastrofer kunne således lettere forstås og forudsiges.

Pulvere og korn i den kemiske industri

Granulære systemer - en generisk betegnelse for alt, der ligner korn eller pulver - spiller en central rolle ikke kun i naturen. De er lige vigtige i praktiske applikationer, såsom den kemiske industri, hvor tre fjerdedele af råvarerne er granulerede stoffer. Et hyppigt problem for den kemiske industri er, at produktionsstrømme kan blive afbrudt, for eksempel, ved uforudset og dårligt forstået fastklemning eller afblanding af de anvendte granulære materialer.

"Selv en lille stigning i effektiviteten af ​​produktionsprocesserne gennem forbedret viden ville give en mulighed for at spare en masse energi", forklarer Alexander Penn, en ph.d. -studerende i gruppen Müller og Prüssmann. Imidlertid, når man prøver at forstå, hvad der sker, for eksempel, når forskellige partikler blandes sammen eller bringes til at interagere med gasser i såkaldte fluid beds, man står over for et alvorligt problem:granulære systemer er uigennemsigtige, hvilket gør det meget svært at lære noget om den nøjagtige rumlige fordeling og bevægelse af partiklerne.

Medicinsk teknologi hjælper studier af granulære systemer

For at overvinde denne forhindring, forskere har genindført en teknologi inden for fysikforskning, der, i dag, bruges hovedsageligt inden for medicin:magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), som er kendt for de smalle rørpatienter skal gå ind for at blive undersøgt. Magnetisk resonansbilleddannelse bruger radiobølger og stærke magnetfelter til først at justere de magnetiske øjeblikke for visse atomkerner inde i et væv eller materiale (disse kan visualiseres som små kompassnåle).

Derefter, atomkernerne mister deres justering, og ved at gøre det, de udsender selv radiobølger, der kan måles. Endelig, resultaterne af disse målinger bruges til at skabe et tredimensionelt billede af positionerne af atomkernerne i materialet. I deres nye forsøg, for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskab fremskridt , forskerne ved ETH tilføjede en række radioantenner til et kommercielt MR-apparat og analyserede målingerne ved hjælp af speciel software. Dette gjorde det muligt for dem at måle den interne dynamik i granulære systemer ti tusinde gange hurtigere, end det havde været muligt før.

Til det formål, forskerne udviklede særlige partikler bestående af en oliedråbe dækket af agar, der måler en millimeter i diameter, og som frembragte et særligt stort og vedvarende magnetisk resonanssignal. De brugte dem, blandt andet at studere, hvad der sker, når en gas strømmer gennem granulære systemer. Gasstrømmen forårsager det granulære medium, som normalt er solid, at opføre sig som en væske. I sådanne "fluidiserede" granulære systemer kan gasbobler stige, splittes eller flettes.

Indtil nu, det var umuligt at studere sådanne bobler i realtid. Den nye måleteknik, der er udviklet af de Zürich-baserede forskere, gør det muligt at tage billeder af indersiden af ​​granulat med en tidsopløsning på mindre end et hundrededel af et sekund. I øvrigt, en smart analyse af magnetiske resonanssignaler gør det muligt at måle de enkelte partiklers hastigheder og, dermed, for at få yderligere information om dynamikken i disse komplekse systemer.

Ansøgninger i kulstofopsamling

Der er mange mulige anvendelser af den viden, der opnås ved hjælp af den nye teknik. Forskerne planlægger, for eksempel, omhyggeligt at teste eksisterende teoretiske modeller for granulære systemer og, hvor det er nødvendigt, at forbedre dem. Blandt de modeller, der skal testes, er den spontane afblanding af granulære blandinger af partikler med forskellige størrelser, hvilket kan føre til problemer i industrielle applikationer, samt den spontane "jamming" af flydende systemer. Bobledannelse i granulære systemer udsat for gasstrømme, på den anden side, er vigtig for procedurer, hvor en gas formodes at reagere så stærkt som muligt med katalysatorpartikler. Sådanne procedurer anvendes, for eksempel, ved opsamling af kuldioxid, som i fremtiden kan bruges til at modvirke klimaændringer. En bedre forståelse af de involverede fysiske processer kan føre til højere effektivitet og betydelige energibesparelser.