Granulära system som grus eller pulver finns överallt, men att studera dem är inte lätt. Forskare vid ETH Zürich har nu utvecklat en metod med vilken bilder av insidan av granulära system kan tas tiotusen gånger snabbare än tidigare.

Även i vår moderna värld full av högteknologiska maskiner och anordningar är det fortfarande omöjligt att förutse när klippor, som den senaste i Graubünden, eller jordbävningar kommer att inträffa och hur de exakt utvecklas. Detta beror delvis på att trots många års forskning, forskare har precis börjat förstå beteendet hos grus och sand, särskilt när det blandas med vatten eller gaser.

Ett team av forskare under ledning av Christoph Müller vid Institutionen för mekanik och processteknik vid ETH Zürich och Klaas Prüssmann vid Institute for Biomedical Engineering vid ETH och Zürichs universitet, tillsammans med kollegor vid Osaka University i Japan, har nu utvecklat en ny teknik som kan göra det mycket lättare att studera sådana fenomen i framtiden. Många naturfenomen och naturkatastrofer kunde därmed lättare förstås och förutsägas.

Pulver och spannmål inom den kemiska industrin

Granulära system - en generisk term för allt som liknar korn eller pulver - spelar en avgörande roll inte bara i naturen. De är lika viktiga i praktiska tillämpningar, som den kemiska industrin, där tre fjärdedelar av råvarorna är granulära ämnen. Ett vanligt problem för den kemiska industrin är att produktionsflöden kan avbrytas, till exempel, genom oförutsedd och dåligt förstådd fastklämning eller avblandning av de använda granulära materialen.

"Även en liten ökning av produktionsprocessernas effektivitet genom förbättrad kunskap skulle göra att man kan spara mycket energi", förklarar Alexander Penn, en doktorand i gruppen Müller och Prüssmann. Dock, när man försöker förstå vad som händer, till exempel, när olika partiklar blandas ihop eller får växelverkan med gaser i så kallade fluidiserade bäddar, man står inför ett allvarligt problem:granulära system är ogenomskinliga, vilket gör det mycket svårt att lära sig något om partiklarnas exakta rumsliga fördelning och rörelse.

Medicinsk teknik hjälper till att studera granulära system

För att övervinna detta hinder, forskare har återinfört en teknik inom fysikforskning som, Nu för tiden, används huvudsakligen inom medicin:magnetisk resonansbildning (MRI), som är välkänd för smalrörspatienterna måste gå in för att undersökas. Magnetisk resonansavbildning använder radiovågor och starka magnetfält för att först justera de magnetiska momenten hos vissa atomkärnor inuti en vävnad eller ett material (dessa kan visualiseras som små kompassnålar).

Därefter, atomkärnorna förlorar sin inriktning, och därmed, de själva avger radiovågor som kan mätas. Till sist, resultaten av dessa mätningar används för att skapa en tredimensionell bild av atomkärnornas positioner i materialet. I deras nya experiment, nyligen publicerad i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapliga framsteg , forskarna vid ETH lade till ett antal radioantenner till en kommersiell MR -enhet och analyserade mätningarna med hjälp av speciell programvara. Detta gjorde det möjligt för dem att mäta den interna dynamiken i granulära system tiotusen gånger snabbare än vad som tidigare varit möjligt.

I det syftet, forskarna utvecklade speciella partiklar bestående av en oljedroppe täckt med agar med en millimeter i diameter som gav en särskilt stor och ihållande magnetisk resonanssignal. De använde dem, bland annat, för att studera vad som händer när en gas strömmar genom granulära system. Gasflödet orsakar det granulära mediet, som vanligtvis är fast, att bete sig som en vätska. I sådana "fluidiserade" granulära system kan gasbubblor stiga, dela upp eller slå samman.

Tills nu, det var omöjligt att studera sådana bubblor i realtid. Den nya mättekniken som utvecklats av de Zürich-baserade forskarna gör att man kan ta bilder av insidan av granulärt material med en tidsupplösning på mindre än en hundradels sekund. Dessutom, en smart analys av magnetresonanssignalerna gör det möjligt att mäta de enskilda partiklarnas hastigheter och, Således, för att få ytterligare information om dynamiken i dessa komplexa system.

Applikationer för koldioxidavskiljning

Det finns många möjliga tillämpningar av den kunskap som erhållits med hjälp av den nya tekniken. Forskarna planerar, till exempel, att noggrant testa befintliga teoretiska modeller för granulära system och, vid behov, att förbättra dem. Bland de modeller som ska testas är spontan avblandning av granulära blandningar av partiklar med olika storlekar, vilket kan leda till problem i industriella tillämpningar, liksom den spontana "störningen" av flödande system. Bubblbildning i granulära system som utsätts för gasflöden, å andra sidan, är viktigt för förfaranden där en gas ska reagera så starkt som möjligt med katalysatorpartiklar. Sådana förfaranden används, till exempel, vid koldioxidavskiljning, som i framtiden kan användas för att motverka klimatförändringar. En bättre förståelse av de involverade fysiska processerna kan leda till högre effektivitet och betydande energibesparingar.