Forskare vid Stanford University har utvecklat en ny lösning för utmaningen att se till att när koldioxid (CO₂ ) injiceras under jorden, stannar den faktiskt kvar.

I decennier har klimatmodeller förutspått att extrema värmeböljor av det slag som miljontals människor upplevt i sommar skulle bli mycket vanligare på nivåerna av planetvärmande gaser som nu finns i jordens atmosfär. När utsläppen och temperaturerna fortsätter att stiga, finns det växande vetenskaplig konsensus om att länder kommer att behöva aktivt ta bort och hantera CO₂ för att världen ska undvika uppvärmning över tröskeln på 1,5 grader Celsius över förindustriella nivåer.

En allmänt studerad metod för att hålla borta kol från atmosfären på lång sikt innebär att injicera CO₂ in i klippformationer djupt under jorden. Men det finns fortfarande frågor att lösa.

"Injektion av koldioxid i lagringsformationer kan leda till komplexa geokemiska reaktioner, av vilka några kan orsaka dramatiska strukturella förändringar i berget som är svåra att förutsäga", säger Ilenia Battiato, studiens primära utredare och biträdande professor i energiresursteknik vid Stanford's School of Earth, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth).

Kedjereaktioner

Jordforskare i åratal har simulerat vätskeflöde, reaktioner och bergmekanik för att försöka förutsäga hur injektioner av CO₂ eller andra vätskor kommer att påverka en given stenformation.

Befintliga modeller förutsäger dock inte på ett tillförlitligt sätt samspelet och de fullständiga konsekvenserna av geokemiska reaktioner, som ofta ger tätare tätningar genom att effektivt täppa till vägar med lösta mineraler – men kan också leda till sprickor och maskhål som kan göra att nedgrävd koldioxid kan påverka dricksvattnet. eller fly till atmosfären, där det skulle bidra till klimatförändringarna. "Dessa reaktioner är allestädes närvarande. Vi måste förstå dem eftersom de kontrollerar tätningens effektivitet", sa Battiato.

En av de främsta modelleringsutmaningarna kretsar kring det breda utbudet av tids- och rumsskalor över vilka interagerande processer utspelar sig samtidigt under jorden. Vissa reaktioner försvinner på mindre än en sekund, medan andra fortsätter i månader eller till och med år. Allteftersom reaktionerna fortskrider, påverkar den utvecklande blandningen och koncentrationen av olika mineraler i en viss bergart, och förändringar i bergytans geometri och kemi, vätskekemin, vilket i sin tur påverkar sprickor och möjliga vägar för läckor.

Labba på ett chip

Den nya lösningen beskrivs den 1 augusti i Proceedings of the National Academy of Sciences , använder en mikrofluidikanordning, eller vad forskare ofta kallar "labb på ett chip". I det här fallet kallar forskarna det för en "sten på ett chip", eftersom tekniken innebär att en liten bit skiffersten bäddas in i en mikrofluidisk cell.

För att demonstrera sin enhet använde forskarna åtta stenprover tagna från Marcellus-skiffern i West Virginia och Wolfcamp-skiffern i Texas. De skar och polerade klippskivorna till bitar som inte var större än några sandkorn, där var och en innehöll olika mängder och arrangemang av reaktiva karbonatmineraler. Forskarna placerade proverna i en polymerkammare förseglad i glas, med två små inlopp som lämnades öppna för injektioner av syralösningar. Höghastighetskameror och mikroskop gjorde att de steg för små steg kunde se hur kemiska reaktioner fick enskilda mineralkorn i proverna att lösas upp och ordnas om.

Idén att miniatyrisera forskning som en gång krävde stora laboratorier sträcker sig över geovetenskaper, biomedicin, kemi och andra områden, säger studiens medförfattare Anthony R. Kovscek, professorn Keleen och Carlton Beal vid Stanford Earth och seniorstipendiat vid Stanfords Precourt Institute för energi. "Om du kan se det kan du beskriva det bättre. Dessa observationer har ett direkt samband med vår förmåga att bedöma och optimera konstruktioner för säkerhet", sa han. Idag säger Kovscek att geologer på borrplatser kan undersöka stenar under ett mikroskop, men ingen nuvarande teknik närmar sig den detaljnivå som är möjlig med den här nya enheten:"Inget av det här slaget existerar för att verkligen titta på hur kornformerna förändras."

Optimera för säkerhet

Att förbättra reaktiva transportmodeller är en fråga av växande brådska, med tanke på kolavlägsnandets roll i regeringens planer för att hantera klimatförändringarna och de hundratals miljoner dollar som nu strömmar till den begynnande tekniken från privata investerare. Befintliga projekt för att ta bort CO₂ direkt från atmosfären fungerar endast i pilotskala. De som fångar upp utsläppen vid källan är vanligare, med mer än 100 projekt under utveckling över hela världen och den amerikanska regeringen förbereder sig nu för att spendera 8,2 miljarder dollar genom den tvåpartsinriktade infrastrukturpropositionen på kolavskiljning och lagring från industrianläggningar.

Inte alla planer för kollagring innebär att man begraver kol under jorden. De som dock involverar geologisk lagring skulle kunna få hjälp och möjligen göras mer stabila och säkra med den nya Stanford-tekniken. "Forskare måste införliva denna kunskap i sina modeller för att göra bra förutsägelser om vad som kommer att hända när du injicerar CO₂ , för att se till att den stannar där och inte gör konstiga saker," sa Battiato.

Framöver planerar Battiato och kollegor att använda samma plattform för att studera geokemiska reaktioner som utlöses av injektioner av avloppsvatten från oljeproduktion, avsaltningsanläggningar eller industri, samt väte, som ingår i USA:s och EU:s planer för att minska utsläppen till 2050. Även om underjordisk vätelagring ofta nämns som en lovande lösning på den branta och ihållande utmaningen att säkerställa säker lagring av den mycket brandfarliga gasen i stor skala, kommer att testa den i en pilotskala kräva bättre screeningverktyg och förståelse för biogeokemiska reaktioner. + Utforska vidare

Reaktioner som lagrar kol under jord kan orsaka sprickbildning, vilket är goda nyheter