Samhällets efterfrågan på energi är främst beroende av olja och gas, som är ändliga resurser. Framtida teknologier kan minska förbrukningen av energi, men tills dess, befintliga resurser måste hanteras noggrant. Direktör för Ali I. Al-Naimi Petroleum Engineering Research Center vid KAUST Tadeusz Patzek använder fysik för att hantera denna utmaning genom att modellera produktionen av gas från fracking.

Patzek och hans medarbetare beskriver två visioner om global energiförbrukning. Optimister tror att mänsklig befolkning, energianvändning och ekonomier kan fortsätta växa exponentiellt eftersom människor kommer att fortsätta uppfinna innovativa sätt att överleva. Andra, dock, Observera att jorden sätter tydliga gränser för tillväxt, vilket innebär att energiproduktionen kommer att nå sin topp innan den slutar.

Olje- och gasproduktionen har verkligen nått toppar tidigare, men dessa har utnyttjats av upptäckter av nya reserver och teknik för utvinning av bränslen från tidigare otillgängliga områden. Den mest komplexa och kontroversiella nya processen är fracking (hydraulisk frakturering) av gamla havsbotten som kallas skifferformationer. Fracking innebär att injicera högtrycksvatten och sand i skifferlager flera kilometer under jorden, producerar sprickor som släpper ut fångade kolväten.

"Mina medförfattare, Scott Tinker och Michael Marder, och jag, arbetat med ett Sloan Foundation -projekt, vars mål var att modellera gasåtervinning från skiffer i USA i oöverträffad detalj, "säger Patzek. Istället för att tillämpa befintliga gasbrunnssimuleringar, som är komplexa och tidskrävande att köra, forskarna inspirerades av det eleganta, enkla modeller av kondenserad materiens fysik, såsom de som styr elektrontransport vid låga temperaturer.

Deras resulterande modell kräver mycket få parametrar för att modellera diffusion av gas från frackingbrunnar, och forskarna validerade det genom att exakt förutsäga produktionen av 14 000 gasbrunnar i USA.

Övergripande, studien visade att endast 10-20% av naturgas i frackingfält utvinns med dagens teknik. Detta tyder på att, medan tekniska förbättringar kan förlänga livslängden på fracking som en användbar bränslekälla, den gasflod som vissa industrimän förutspått är ännu inte garanterad.

Patzek kommer inte att säga om han är optimist eller pessimist när det gäller fracking. "Jag är inte heller, "säger han." Jag är en vetenskapsman, och min syn på naturen styrs strikt av de kemiska och fysiska processerna. Dock, Jag är också en ivrig miljöpartist, och ur detta perspektiv, affärer som vanligt tar slut för mänskligheten. "

Patzek och medarbetare har verkligen visat att fysiker har en roll i att utveckla nya affärsmodeller för framtida energikällor.