Donhee Ham, Gordon McKay Professor de Engenharia Elétrica e Física Aplicada, recebeu US $ 1,7 milhão da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Energia (ARPA-E) do Departamento de Energia dos EUA para desenvolver eletrônicos miniaturizados de ressonância magnética nuclear (NMR). O pequeno tamanho e o baixo custo dos dispositivos se prestam a uma ampla implantação no subsolo profundo da Terra, permitindo imagens de formações rochosas para exploração de petróleo e gás.

NMR é uma técnica que perturba os prótons dentro de uma molécula para obter pistas importantes sobre sua estrutura e movimento. Ele pode identificar substâncias desconhecidas, detectar variações muito leves na composição química com resolução atômica, e medir como as moléculas se movem e interagem, tornando-o uma ferramenta essencial na química orgânica, biologia estrutural, e descoberta de drogas.

Desde a década de 1990, NMR tem sido uma ferramenta vital para a exploração de petróleo na indústria de petróleo e gás. É usado para examinar composições de fluidos, bem como interações moleculares entre superfícies de rocha e fluidos e ajudou a descobrir grandes reservatórios de petróleo e xisto no Brasil e nos Estados Unidos.

Contudo, Os eletrônicos atuais de NMR usados ​​na descoberta de petróleo e gás são volumosos, pesado e caro. Eles têm mais de 3,6 metros de altura e pesam mais de 90 quilos. Ham e sua equipe estão tentando mudar isso integrando os volumosos componentes eletrônicos de NMR em um chip semicondutor que pode ser segurado na palma da mão.

"Esses pequenos aparelhos eletrônicos de NMR podem ser muito mais amplamente disseminados em todas as formações geológicas, permitindo o monitoramento distribuído de longo prazo da subsuperfície da Terra, transformando a descoberta e produção de petróleo em campos maduros, campos de águas profundas, e reservatórios de óleo / gás não convencionais, "disse Ham." Tal monitoramento distribuído é como imaginar a subsuperfície da Terra, assim como as mesmas imagens da física NMR dentro do corpo humano na ressonância magnética. "

Nos últimos 10 anos, Ham e sua equipe têm reduzido os dispositivos de NMR para detecção biomolecular de diagnóstico portátil e espectroscopia biomolecular usando tecnologia de circuito integrado de silício - a tecnologia responsável por microprocessadores de computador. O presente projeto baseia-se nessa experiência.

O novo desafio para aplicações subterrâneas profundas é fazer eletrônicos em escala de chip que possam suportar as altas temperaturas do ambiente subterrâneo. Os circuitos integrados de silício da geração atual não são adequados para tais aplicações de alta temperatura. Para superar este desafio, Ham e sua equipe usarão tecnologia de circuito integrado de nitreto de gálio (GaN), que não apenas auxilia na miniaturização, mas também permite que o sistema opere em altas temperaturas.

Além da descoberta subterrânea de petróleo e gás, este dispositivo de NMR em miniatura pode ser amplamente distribuído para monitorar a qualidade e melhorar a eficiência em elementos a jusante da cadeia de energia, Incluindo o transporte, pipelining, misturando, refinaria, armazenar, e distribuição.

Esta pesquisa é parte de uma colaboração contínua com a Schlumberger, uma das maiores empresas de serviços de campos petrolíferos do mundo. O financiamento é por meio do programa ARPA-E OPEN, que visa identificar novas tecnologias potencialmente disruptivas em todo o espectro de aplicações de energia.