En metod baserad på CT (datortomografi) – en typ av bildbehandling som används flitigt på sjukhus – kan bidra till att förbättra vår förståelse av CO2 lagring, batterier och processer i kroppen såsom näringsupptag.
Hur flödar vätskor i material som sten, jord och ben? Porerna kan vara små och smala och vätskor kan röra sig snabbt, ofta i små hopp som är över inom millisekunder. Det har inte tidigare varit möjligt att göra 3D slow-motion-videor av detta.
Forskare har nu utvecklat en metod baserad på CT (datortomografi) – en typ av bildbehandling som används flitigt på sjukhus. Detta kan bidra till att förbättra vår förståelse av CO2 lagring, batterier och processer i kroppen såsom näringsupptag. Studien publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
Vätskor i porösa material finns överallt, både i naturen och i industrin. Inom geovetenskap och miljövetenskap är det viktigt att förstå hur vätskor rör sig genom berget för sötvattenförsörjning och föroreningskontroll. CO2 lagring i före detta olje- och gasreservoarer i Nordsjön är en lovande teknik som kan minska utsläppen av växthusgaser, men en utmaning vid injicering av CO2 in i berggrunden är att det saltvatten som redan finns där måste undanträngas.
Porösa material absorberar vanligtvis vätskor. Vätande vätskor sprids jämnt över material, medan icke vätande vätskor bildar droppar i minimal kontakt med omgivningen. Dränering innebär att en icke-vätande vätska, vanligtvis luft, ersätter en vätande vätska.
Dränering i porös sten är komplicerad och vätskor flyter inte jämnt på mikronivå, utan i passningar och startar, liknande en "gurglande" process. Trycket byggs upp innan porerna plötsligt fylls i så kallade Haines-hopp.
Dessa hopp påverkar materialens förmåga att transportera vätskor. Därför är detta också viktigt i förhållande till CO2 lagring och katalysatorer. Datormjukvara har designats för att modellera Haines hopp, men den måste kalibreras med mått. Haines hopp har ännu inte avbildats i 3D med tillräckligt bra upplösning för att de ska studeras i detalj. Detta beror på att de äger rum inuti material, över mycket korta avstånd (nanometer till millimeter) och under mycket korta tidsperioder (millisekunder).
Kim Robert Tekseth är doktorand vid NTNU. Han studerar hur röntgenmikroskopi kan användas för att studera vätskor i porösa material. Forskare runt om i världen har tävlat om att göra en slowmotion 3D-video av vätskor i sten. Det tidigare "världsrekordet" var ungefär en sekund per tidssteg. En forskargrupp har slagit detta rekord. De kan nu göra dessa mätningar runt 1 000 gånger snabbare. Vid 0,5 millisekunder per steg kan vätskeflödet studeras i detalj i 3D.
Tänker om hela processen
Med vanlig CT måste provet roteras 180° för att skapa varje 3D-bild. Detta begränsar bildhastigheten, vilket innebär att de var tvungna att tänka om hela processen. Lösningen var att göra flödet genom det porösa materialet repeterbart. Forskarna gjorde ett litet prov av sintrat glas. Vatten och luft kan upprepade gånger drivas fram och tillbaka inuti glaset, samtidigt som hundratusentals röntgenstrålar tas från olika vinklar. Metoden kan illustreras genom att jämföra den med höjdhoppet i friidrott.
Föreställ dig att du ska göra en 3D-film av ett professionellt höjdhopp. Flera kameror kan användas samtidigt från olika vinklar (men det är svårt att göra med röntgen). Nyckeln är att varje hopp fortsätter med nästan identisk teknik varje gång. Detta gör att du kan spela in en serie hopp från olika vinklar, och dessa inspelningar kan sedan sammanställas till en enda 3D-film. Detta kallas även 4D-CT (3D + tid). Samarbetet med ESRF-röntgenanläggningen (synkrotron) i Frankrike spelade en avgörande roll.
Detta gjorde det möjligt för dem att mäta att vätskefronten rör sig under hopp med upp till 200 mm/s, vilket är mycket högre än medelflödet. De såg också att när en por plötsligt fylldes under ett hopp, påverkades vätskenivån samtidigt i alla andra porer i provet. Forskarna säger att denna studie är första gången detta har observerats direkt i 3D.
Forskarna säger att de i framtiden även kommer att kunna använda sin metod i andra snabba 3D-processer. Förutom grundläggande vätskestudier kommer de att studera katalys och batterier. De har också använt artificiell intelligens för att analysera mätningarna snabbare och bättre.
Mer information: Kim Robert Tekseth et al, Multiscale dräneringsdynamik med Haines-hopp övervakade med stroboskopisk 4D-röntgenmikroskopi, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2305890120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Norges tekniska och naturvetenskapliga universitet
