Hydraulisk spräckning, eller fracking, ger kritisk energi till samhället, men använder också stora mängder färskvatten samtidigt som den producerar motsvarande mängder avloppsvatten. Vattenbaserade skum, som använder cirka 90 procent mindre vatten än fracking-vätskor, ge ett alternativ, men mekanismen för skumdriven fraktur vid sådan borrning är inte väl förstått.

Nu, Princeton -forskare under ledning av Howard Stone, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i maskin- och rymdteknik, har experimentellt testat en detaljerad beskrivning av skums sprickbeteende. Forskarna rapporterade sina resultat i en 26 juli-artikel i tidskriften PNAS .

Skum, gasbubblor suspenderade i en vätska, är komprimerbara; vätskor är det inte. Vid typisk hydraulisk frakturering, inkompressibel vätska injiceras vid högt tryck för att spricka skifferreservoaren. När komprimerbart skum injiceras, beteendet hos skum är mer komplext. Tryck som appliceras på skum får bubblor att klämma ihop och expandera, skapa förändringar i hela skummet.

Med hjälp av en bordsskiva, forskarna simulerade fracking med ett vanligt skum (rakkräm) som injicerades i en gelatinfylld kammare. Experimentet, som efterliknar fracking-förhållanden, tillät dem att studera parametrar som injektionshastighet och vätskeviskositet. Forskarna använde data för att ta fram en detaljerad beskrivning av komprimerbart skums inverkan på sprickbildning.

"Skummet vi använder här består [av] endast cirka 10 volymprocent av vattnet, sade Ching-Yao Lai, tidningens huvudförfattare som doktorerade i maskin- och rymdteknik från Princeton i våras. "Majoriteten av utrymmet i skum tas upp av gasbubblor. Användningen av skum förändrar dynamiken i sprickutbredning betydligt jämfört med standardfallen med vatteninjektion.

"Skumsprickbildning har utvecklats i Kanada för att minimera användningen av vatten och andra miljöproblem som orsakas av vatteninjektionen. Detta motiverar oss att utveckla ett system för att studera fysiken bakom sprickbildning med skum, " sa Lai.

Forskarna sa att analysen kan utvidgas till andra flödessystem som använder komprimerbara skum som brandbekämpning och energilagring.

"Detta projekt gjorde det möjligt för oss att studera en lite studerad aspekt av vätskedriven fraktur, ", sa Stone. "Det gjorde det också möjligt för oss att utveckla nya insikter som är relevanta för andra dåligt förstådda skumflöden, som vi hoppas kunna studera i framtiden."