Donhee skinka, Gordon McKay professor i elektroteknik och tillämpad fysik, har tilldelats 1,7 miljoner dollar från det amerikanska energidepartementets Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) för att utveckla miniatyriserad kärnmagnetisk resonans (NMR) elektronik. Enheternas ringa storlek och låga kostnad lämpar sig för bred utbyggnad i jordens djupa underyta, möjliggör avbildning av bergformationer för olje- och gasprospektering.

NMR är en teknik som stör protoner i en molekyl för att få viktiga ledtrådar om dess struktur och rörelse. Det kan identifiera okända ämnen, upptäcka mycket små variationer i kemisk sammansättning med atomupplösning, och mäta hur molekyler rör sig och interagerar, gör det till ett viktigt verktyg i organisk kemi, strukturell biologi, och upptäckt av droger.

Sedan 1990-talet, NMR har varit ett viktigt verktyg för petroleumprospektering inom olje- och gasindustrin. Den används för att undersöka vätskesammansättningar såväl som molekylära interaktioner mellan bergytor och vätskor och har hjälpt till att upptäcka stora olje- och skifferreservoarer i Brasilien och USA.

Dock, nuvarande NMR-elektronik som används vid upptäckt av olja och gas är skrymmande, tung och dyr. De är mer än 12 fot långa och väger mer än 200 pund. Ham och hans team vill ändra på det genom att integrera den skrymmande NMR-elektroniken i ett halvledarchip som kan hållas i handflatan.

"Så här liten NMR-elektronik kan spridas mycket bredare i geologiska formationer, möjliggör långsiktig distribuerad övervakning av jordens underyta, att omvandla oljefyndighet och -produktion över mogna fält, djupa vattenfält, och okonventionella olje/gasreservoarer, ", sa Ham. "En sådan distribuerad övervakning är som att avbilda jordens underyta, precis som samma NMR-fysikbilder inuti människokroppen i MRI."

Under de senaste 10 åren, Ham och hans team har krympt NMR-enheter för bärbar diagnostisk biomolekylär avkänning och biomolekylär spektroskopi med hjälp av integrerad kretsteknik av kisel - tekniken som är ansvarig för datormikroprocessorer. Det aktuella projektet bygger på denna expertis.

Den nya utmaningen för applikationer i djupa underjordiska applikationer är att tillverka elektronik i chipsskala som tål de höga temperaturerna i den underjordiska miljön. Den nuvarande generationens integrerade kretsar av kisel skärs inte ut för sådana högtemperaturapplikationer. För att övervinna denna utmaning, Ham och hans team kommer att använda galliumnitrid (GaN) integrerad kretsteknik, vilket inte bara hjälper till med miniatyrisering utan också gör att systemet kan arbeta i höga temperaturer.

Förutom fynd av olja och gas under ytan, denna miniatyr-NMR-enhet skulle kunna distribueras brett för att övervaka kvalitet och förbättra effektiviteten i nedströms delar av energikedjan, inklusive frakt, pipelining, blanda, raffinaderi, lagring, och distribution.

Denna forskning är en del av ett fortsatt samarbete med Schlumberger, ett av världens största oljefältsserviceföretag. Finansieringen sker genom ARPA-E OPEN-programmet, som syftar till att identifiera potentiellt störande ny teknik över hela spektrumet av energitillämpningar.