Os combustíveis fósseis que fornecem grande parte da energia do mundo se originam em um tipo de rocha conhecido como querogênio, e o potencial de recuperação desses combustíveis depende crucialmente do tamanho e da conexão dos espaços dos poros internos das rochas.

Agora, pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores do MIT e de outros lugares capturou imagens tridimensionais da estrutura interna do querogênio, com um nível de detalhe mais de 50 vezes maior do que o alcançado anteriormente. Essas imagens devem permitir previsões mais precisas de quanto óleo ou gás pode ser recuperado de qualquer formação. Isso não mudaria a capacidade de recuperação desses combustíveis, mas poderia, por exemplo, levar a melhores estimativas das reservas recuperáveis ​​de gás natural, que é visto como um importante combustível de transição enquanto o mundo tenta conter o uso de carvão e petróleo.

Os resultados são relatados esta semana no Proceedings of the National Academy of Science , em um artigo do cientista pesquisador sênior do MIT Roland Pellenq, Professor do MIT Franz-Josef Ulm, e outros no MIT, CNRS e Aix-Marseille Université (AMU) na França, e o Centro de Tecnologia Shell em Houston.

O time, que publicou resultados há dois anos em uma investigação da estrutura dos poros do querogênio com base em simulações de computador, usou um método relativamente novo chamado tomografia eletrônica para produzir as novas imagens 3-D, que têm uma resolução de menos de 1 nanômetro, ou bilionésimo de um metro. Tentativas anteriores de estudar a estrutura do querogênio nunca haviam imaginado o material com resolução abaixo de 50 nanômetros, Pellenq diz.

Combustíveis fósseis, como o nome sugere, Forma-se quando a matéria orgânica, como plantas mortas, é enterrada e misturada com lodo de grão fino. À medida que esses materiais ficam enterrados mais profundamente, ao longo de milhões de anos, a mistura é cozida em uma matriz mineral intercalada com uma mistura de moléculas baseadas em carbono. Hora extra, com mais calor e pressão, a natureza dessa estrutura complexa muda.

O processo, uma pirólise lenta, envolve "cozinhar oxigênio e hidrogênio, e no final, você pega um pedaço de carvão, "Pellenq explica." Mas no meio, você obtém toda essa gradação de moléculas, "muitos deles combustíveis úteis, lubrificantes, e matérias-primas químicas.

Os novos resultados mostram pela primeira vez uma diferença dramática na nanoestrutura do querogênio dependendo de sua idade. O querogênio relativamente imaturo (cuja idade real depende da combinação de temperaturas e pressões a que foi submetido) tende a ter poros muito maiores, mas quase nenhuma conexão entre esses poros, tornando muito mais difícil extrair o combustível. Querogênio maduro, por contraste, tende a ter poros muito menores, mas estes estão bem conectados em uma rede que permite que o gás ou óleo flua facilmente, tornando muito mais recuperável, Pellenq explica.

O estudo também revela que os tamanhos de poros típicos nessas formações são tão pequenos que as equações hidrodinâmicas normais usadas para calcular a maneira como os fluidos se movem através de materiais porosos não funcionam. Nessa escala, o material está em contato tão próximo com as paredes dos poros que as interações com a parede dominam seu comportamento. A equipe de pesquisa, portanto, teve que desenvolver novas maneiras de calcular o comportamento do fluxo.

"Não há equação de dinâmica de fluidos que funcione nesses poros subnanoescala, ", diz ele." Nenhuma física contínua funciona nessa escala. "

Para obter essas imagens detalhadas da estrutura, a equipe usou tomografia eletrônica, em que uma pequena amostra do material é girada dentro do microscópio como um feixe de elétrons sondas a estrutura para fornecer seções transversais em um ângulo após o outro. Estes são então combinados para produzir uma reconstrução 3D completa da estrutura dos poros. Embora os cientistas venham usando a técnica por alguns anos, eles não o haviam aplicado às estruturas de querogênio até agora. A imagem foi realizada no laboratório CINaM do CNRS e AMU, na França (no grupo de Daniel Ferry), como parte de uma colaboração de longo prazo com a MultiScale Materials Science for Energy and Environment, o laboratório conjunto MIT / CNRS / AMU localizado no MIT.

"Com esta nova tomografia em nanoescala, podemos ver onde as moléculas de hidrocarbonetos estão realmente localizadas dentro da rocha, "Pellenq diz. Depois de obter as imagens, os pesquisadores foram capazes de usá-los junto com modelos moleculares da estrutura, para melhorar a fidelidade de suas simulações e cálculos de taxas de fluxo e propriedades mecânicas. Isso pode lançar luz sobre como as taxas de produção diminuem em poços de petróleo e gás, e talvez como desacelerar esse declínio.

Até aqui, a equipe estudou amostras de três locais diferentes de querogênio e encontrou uma forte correlação entre a maturidade da formação e sua distribuição de tamanho de poro e conectividade de poros vazios. Os pesquisadores agora esperam expandir o estudo para muitos mais sites e derivar uma fórmula robusta para prever a estrutura dos poros com base na maturidade de um determinado site.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.