De fossila bränslena som tillhandahåller mycket av världens energi har sitt ursprung i en typ av sten som kallas kerogen, och potentialen för att återvinna dessa bränslen beror mycket på storleken och kopplingen av bergarternas inre porutrymmen.

Nu, för första gången, ett team av forskare vid MIT och på andra håll har fångat tredimensionella bilder av kerogens inre struktur, med en detaljnivå som är mer än 50 gånger högre än vad som tidigare uppnåtts. Dessa bilder bör möjliggöra mer exakta förutsägelser av hur mycket olja eller gas som kan utvinnas från en given formation. Detta skulle inte förändra möjligheten att återvinna dessa bränslen, men det kunde, till exempel, leda till bättre uppskattningar av de utvinningsbara reserverna av naturgas, som ses som ett viktigt övergångsbränsle då världen försöker stävja användningen av kol och olja.

Fynden rapporteras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Science , i en artikel av MIT Senior Research Scientist Roland Pellenq, MIT professor Franz-Josef Ulm, och andra på MIT, CNRS och Aix-Marseille Université (AMU) i Frankrike, och Shell Technology Center i Houston.

Laget, som publicerade resultat för två år sedan om en undersökning av kerogenporstruktur baserad på datorsimuleringar, använde en relativt ny metod som kallas elektrontomografi för att producera de nya 3D-bilderna, som har en upplösning på mindre än 1 nanometer, eller miljarddels meter. Tidigare försök att studera kerogenstrukturen hade aldrig avbildat materialet under 50 nanometers upplösning, säger Pellenq.

Fossila bränslen, som deras namn antyder, bildas när organiskt material som döda växter begravs och blandas med finkornig silt. När dessa material begravs djupare, under miljontals år kokas blandningen till en mineralmatris blandad med en blandning av kolbaserade molekyler. Över tid, med mer värme och tryck, den komplexa strukturens karaktär förändras.

Processen, en långsam pyrolys, involverar "kokning av syre och väte, och i slutet, du får en bit kol, " förklarar Pellenq. "Men däremellan, du får hela den här graderingen av molekyler, "många av dem användbara bränslen, smörjmedel, och kemiska råvaror.

De nya resultaten visar för första gången en dramatisk skillnad i nanostrukturen hos kerogen beroende på dess ålder. Relativt omogen kerogen (vars faktiska ålder beror på kombinationen av temperaturer och tryck den har utsatts för) tenderar att ha mycket större porer men nästan inga kopplingar mellan dessa porer, vilket gör det mycket svårare att utvinna bränslet. Mogen kerogen, däremot, tenderar att ha mycket mindre porer, men dessa är väl sammankopplade i ett nätverk som gör att gasen eller oljan lätt kan flöda, göra mycket mer av det återvinningsbart, Pellenq förklarar.

Studien avslöjar också att de typiska porstorlekarna i dessa formationer är så små att normala hydrodynamiska ekvationer som används för att beräkna hur vätskor rör sig genom porösa material inte fungerar. I denna skala är materialet i så nära kontakt med porväggarna att interaktioner med väggen dominerar dess beteende. Forskargruppen fick alltså utveckla nya sätt att beräkna flödesbeteendet.

"Det finns ingen vätskedynamikekvation som fungerar i dessa subnanoskala porer, " säger han. "Ingen kontinuumfysik fungerar i den skalan."

För att få dessa detaljerade bilder av strukturen, laget använde elektrontomografi, där ett litet prov av materialet roteras inuti mikroskopet när en stråle av elektroner undersöker strukturen för att ge tvärsnitt i en vinkel efter den andra. Dessa kombineras sedan för att producera en fullständig 3D-rekonstruktion av porstrukturen. Medan forskare hade använt tekniken i några år, de hade inte applicerat det på kerogenstrukturer förrän nu. Avbildningen utfördes vid CINaM-labbet av CNRS och AMU, i Frankrike (i gruppen av Daniel Ferry), som en del av ett långsiktigt samarbete med MultiScale Materials Science for Energy and Environment, MIT/CNRS/AMU gemensamma lab beläget vid MIT.

"Med denna nya nanoskala tomografi, vi kan se var kolvätemolekylerna faktiskt sitter inne i berget, " säger Pellenq. När de väl fick bilderna, forskarna kunde använda dem tillsammans med molekylära modeller av strukturen, att förbättra troheten i deras simuleringar och beräkningar av flödeshastigheter och mekaniska egenskaper. Detta kan belysa hur produktionstakten minskar i olje- och gaskällor, och kanske om hur man bromsar den nedgången.

Än så länge, teamet har studerat prover från tre olika kerogenplatser och funnit en stark korrelation mellan formationens mognad och dess porstorleksfördelning och porhålighetskoppling. Forskarna hoppas nu kunna utöka studien till många fler platser och få fram en robust formel för att förutsäga porstrukturen baserat på en given plats mognad.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.