Ingenjörer från Imperial College London har avfärdat en 100 år gammal vetenskaplig lag som används för att beskriva hur vätska strömmar genom stenar.

Upptäckten av forskare från Imperial kan leda till en rad förbättringar inklusive framsteg inom Carbon Capture and Storage (CCS). Det är här industriella utsläpp kommer att fångas upp av CCS-teknik, innan de når atmosfären, och förvaras säkert i sten djupt under jorden.

Mil under jordens yta strömmar olika typer av vätskor genom de mikroskopiska utrymmena mellan kornen inuti stenar.

Forskare från College har använt Diamond Light Source-anläggningen i Storbritannien för att göra 3D-videor som visar mer detaljerat än någonsin tidigare hur vätskor rör sig genom sten.

I över hundra år, ingenjörer har modellerat hur flera vätskor strömmar genom stenar av en rad olika anledningar. Till exempel, modellering av vätskeflöde gör det möjligt för ingenjörer att bestämma hur man utvinner olja och gas. Att förstå hur havsvatten rinner genom stenar ger insikter om flyktigheten i jordskorpan, och att förutsäga hur sötvatten rinner genom stenar gör det möjligt för ingenjörer att hantera vattenresurser. På senare tid, ingenjörer har modellerat hur CO? flyter genom berg som en del av CCS.

Tidigare, forskare har använt en formel för att modellera hur vätskor rör sig genom stenar. Det kallas Darcy's Extended Law och premissen för den är att gaser rör sig genom berget via sin egen separata, stabil, komplex, mikroskopiska vägar. Detta har varit det underliggande tillvägagångssättet som ingenjörer använt för att modellera vätskeflödet under de senaste 100 åren.

Dock, de kejserliga forskarna har upptäckt att snarare än att flyta i ett relativt stabilt mönster genom stenar, flödena är i själva verket mycket instabila. De vägar som vätskor strömmar igenom varar faktiskt bara under en kort tidsperiod, högst tiotals sekunder, innan de arrangeras om och formas till olika. Teamet har kallat denna process för dynamisk anslutning.

Vikten av upptäckten av dynamisk anslutning är att ingenjörer runt om i världen nu kommer att kunna modellera mer exakt hur vätskor strömmar genom berg.

Dr Catriona Reynolds, huvudförfattare på studien som avslutade sin doktorsexamen vid Institutionen för geovetenskap och teknik vid Imperial, sa:"Att försöka modellera hur vätskor strömmar genom berg i stor skala har visat sig vara en stor vetenskaplig och ingenjörsmässig utmaning. Vår förmåga att förutsäga hur dessa vätskor strömmar i underytan är inte mycket bättre än för 50 år sedan trots stora framsteg inom datormodelleringsteknik. Ingenjörer har länge misstänkt att det fanns några stora luckor i vår förståelse av vätskeflödets underliggande fysik. Våra nya observationer i denna studie kommer att tvinga ingenjörer att omvärdera sina modelleringstekniker, öka deras noggrannhet."

För att skapa 3D-bilderna använde forskarna i dagens studie synkrotronpartikelacceleratorn vid Diamond Light Source. Synkrotronen gör det möjligt för forskarna att ta 3D-bilder med hastigheter som är mycket snabbare än ett konventionellt laboratorieröntgeninstrument - cirka 45 sekunder jämfört med timmar för ett laboratoriebaserat instrument. Detta gjorde det möjligt för dem att se dynamiken, som inte tidigare observerats.

Dock, en ännu högre tidsupplösning skulle avsevärt förbättra observationerna. Dessa vätskebanor ordnar om sig snabbt, så idealiskt skulle teamet vilja att observationerna skulle fångas var 100:e sekund. Denna tidsupplösning är bara möjlig just nu med optiskt ljus från mikroskop kombinerat med höghastighetskameror. Dock, de är begränsade i sin förmåga att observera vätskor som rör sig genom riktiga stenar.

I nästa steg kommer teamet att försöka övervinna detta tekniska hinder med hjälp av en kombination av nya optiska och röntgenbildtekniker. Detta skulle kunna göra det möjligt för dem att modellera vätskeflöde i stor skala, som skulle vara till nytta för att modellera CO2-lagring, produktion av olja och gas, och migration av vätskor djupt i jordskorpan.

Forskningen publiceras idag i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences och finansieras av Engineering and Physical Science Research Council's Doctoral Training Scholarship Scheme och stöds av Qatar Carbonates and Carbon Storage Research Centre, finansieras gemensamt av Qatar Petroleum, Shell och Qatar Science and Technology Park.