Nyt laboratorium på en chip kan accelerere indsatsen for kulstoflagring

Forskere ved Stanford University har udviklet en ny løsning til udfordringen med at sikre, at når kuldioxid (CO₂ ) sprøjtes under jorden, bliver den faktisk siddende.

I årtier har klimamodeller forudsagt, at ekstreme hedebølger af den slags, som millioner af mennesker oplever denne sommer, ville blive langt mere almindelige på niveauet af planetopvarmende gasser, der nu er til stede i Jordens atmosfære. Efterhånden som emissioner og temperaturer fortsætter med at stige, er der voksende videnskabelig konsensus om, at lande bliver nødt til aktivt at fjerne og håndtere CO₂ for at verden undgår opvarmning ud over tærsklen på 1,5 grader Celsius over førindustrielle niveauer.

En meget undersøgt metode til at holde fjernet kulstof ude af atmosfæren på lang sigt involverer indsprøjtning af CO₂ ind i klippeformationer dybt under jorden. Men der er stadig spørgsmål, der skal løses.

"Injektion af kuldioxid i lagringsformationer kan føre til komplekse geokemiske reaktioner, hvoraf nogle kan forårsage dramatiske strukturelle ændringer i klippen, som er svære at forudsige," siger Ilenia Battiato, undersøgelsens primære efterforsker og assisterende professor i energiressourceteknik ved Stanford's School of Earth, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth).

Kædereaktioner

Jordforskere i årevis har simuleret væskestrømning, reaktioner og bjergmekanik for at forsøge at forudsige, hvordan injektioner af CO₂ eller andre væsker vil påvirke en given klippeformation.

Eksisterende modeller forudsiger dog ikke pålideligt samspillet og de fulde konsekvenser af geokemiske reaktioner, som ofte producerer tættere forseglinger ved effektivt at tilstoppe veje med opløste mineraler - men kan også føre til revner og ormehuller, der kan tillade nedgravet kuldioxid at påvirke drikkevandet eller flygte til atmosfæren, hvor det ville bidrage til klimaforandringerne. "Disse reaktioner er allestedsnærværende. Vi er nødt til at forstå dem, fordi de styrer effektiviteten af ​​sælen," sagde Battiato.

En af de vigtigste modelleringsudfordringer centrerer sig om den brede vifte af tids- og rumlige skalaer, over hvilke interagerende processer udfolder sig samtidigt under jorden. Nogle reaktioner forsvinder på mindre end et sekund, mens andre fortsætter i måneder eller endda år. Efterhånden som reaktionerne skrider frem, påvirker den udviklende blanding og koncentration af forskellige mineraler i et givet klippeområde og ændringer i klippeoverfladens geometri og kemi væskekemien, hvilket igen påvirker sprækker og mulige veje for lækager.

Lab på en chip

Den nye løsning, beskrevet 1. august i Proceedings of the National Academy of Sciences , bruger en mikrofluidik-enhed, eller hvad videnskabsmænd ofte omtaler som et "laboratorium på en chip." I dette tilfælde kalder forskerne det en "klippe på en chip", fordi teknologien involverer indlejring af en lille stribe skifersten i en mikrofluidisk celle.

For at demonstrere deres enhed brugte forskerne otte stenprøver taget fra Marcellus-skiferen i West Virginia og Wolfcamp-skiferen i Texas. De skar og polerede klippestykkerne til stykker, der ikke var større end et par sandkorn, hvor hver enkelt indeholdt varierende mængder og arrangementer af reaktive carbonatmineraler. Forskerne placerede prøverne i et polymerkammer forseglet i glas med to små indløb efterladt åbne til injektioner af syreopløsninger. Højhastighedskameraer og mikroskoper gjorde det muligt for dem trin for lille trin at se, hvordan kemiske reaktioner fik individuelle mineralkorn i prøverne til at opløse og omarrangere.

Ideen om at miniaturisere forskning, der engang krævede store laboratorier, går på tværs af geovidenskab, biomedicin, kemi og andre områder, sagde studiets medforfatter Anthony R. Kovscek, Keleen og Carlton Beal Professor ved Stanford Earth og senior fellow ved Stanford's Precourt Institute for energi. "Hvis du kan se det, kan du beskrive det bedre. Disse observationer har en direkte forbindelse med vores evne til at vurdere og optimere designs til sikkerhed," sagde han. I dag siger Kovscek, at geologer på boresteder måske undersøger klipper under et mikroskop, men ingen nuværende teknologier nærmer sig det detaljeringsniveau, der er muligt med denne nye enhed:"Der findes intet af denne slags for virkelig at se på, hvordan kornformerne ændrer sig."

Optimering af sikkerhed

Forbedring af reaktive transportmodeller er et spørgsmål om voksende hastende betydning i betragtning af rollen som kulstoffjernelse i regeringens planer for at håndtere klimaændringer og de hundredvis af millioner af dollars, der nu strømmer til den spirende teknologi fra private investorer. Eksisterende projekter til fjernelse af CO₂ direkte fra atmosfæren fungerer kun i pilotskala. De, der fanger emissioner ved kilden, er mere almindelige, med mere end 100 projekter under udvikling over hele verden, og den amerikanske regering forbereder sig nu på at bruge 8,2 milliarder dollars gennem den todelte infrastrukturregning på kulstoffangst og -lagring fra industrianlæg.

Ikke alle kulstoflagringsplaner involverer begravelse af kulstof under jorden. De, der involverer geologisk lagring, kan dog hjælpes og muligvis gøres mere stabile og sikre med den nye Stanford-teknologi. "Forskere er nødt til at inkorporere denne viden i deres modeller for at komme med gode forudsigelser om, hvad der vil ske, når du injicerer CO₂ , for at sikre, at den bliver der og ikke gør mærkelige ting," sagde Battiato.

Når vi ser fremad, planlægger Battiato og kolleger at bruge den samme platform til at studere geokemiske reaktioner udløst af injektioner af spildevand fra olieproduktion, afsaltningsanlæg eller industri, samt brint, som indgår i USA og EU's planer for at reducere emissionerne inden 2050. Selvom underjordisk brintlagring ofte nævnes som en lovende løsning på den stejle og vedvarende udfordring med at sikre sikker opbevaring af den meget brandfarlige gas i stor skala, vil afprøvning af den i selv pilotskala kræve bedre screeningsværktøjer og forståelse af biogeokemiske reaktioner. + Udforsk yderligere

Reaktioner, der lagrer kulstof under jorden, kan forårsage revner, hvilket er gode nyheder