Rendgensko snimanje stijena za skladištenja ugljika

Kako bi se izbjegli najgori učinci klimatskih promjena, do kraja ovog stoljeća morat će se uhvatiti i pohraniti milijarde metričkih tona industrijski proizvedenog ugljikovog dioksida. Jedno mjesto za pohranu tako ogromne količine stakleničkog plina je sama Zemlja.

Ako bi se ugljikov dioksid pumpo u pukotine i procjepe određenih podzemnih stijena, tekućina bi reagirala sa stijenama i ukrutila ugljik u minerale. Na taj bi se način ugljikov dioksid potencijalno mogao zaključati u stijenama u stabilnom obliku milijunima godina bez vraćanja u atmosferu.

Neki pilot projekti su već u tijeku kako bi se demonstrirala takva „mineralizacija ugljika“. Ti su napori pokazali obećavajuće rezultate u smislu uspješne mineralizacije velikog dijela ubrizganog CO2. Međutim, manje je jasno mogu li istraživači začepiti pukotine i procjepe te u konačnici ograničiti količinu CO2 koja se tamo može pohraniti.

U novoj studiji koja se pojavljuje u časopisu AGU Advances, geofizičari s američkog tehnološkog instituta MIT, istražili su ovo pitanje ubrizgavanjem tekućine u stijene i korištenjem rendgenskog snimanja kako bi otkrili kako su se pore i pukotine stijena mijenjale kako se tekućina s vremenom mineralizirala.

Njihovi su eksperimenti pokazali da se, kako se tekućina upumpava u stijenu, propusnost stijene (sposobnost tekućine da teče kroz stijenu) naglo smanjuje. U međuvremenu, poroznost stijene (ukupna količina praznog prostora u obliku pora, pukotina i procjepa) ostaje relativno ista.

Istraživači su otkrili da se minerali talože iz tekućine u užim tunelima koji povezuju veće pore, sprječavajući tekućinu da teče u veće pore. Unatoč tome, tekućina je nastavila teći kroz stijenu, iako manjom brzinom, a minerali su se nastavili formirati u nekim pukotinama i procjepima.

„Ova studija daje vam informacije o tome što stijena radi tijekom ovog složenog procesa mineralizacije, što bi vam moglo dati ideje kako ga prilagoditi u svoju korist“, kaže koautor studije Matėj Peč, izvanredni profesor geofizike na MIT-u.

„Ako biste ubrizgavali CO2 u Zemlju i vidjeli ogroman pad propusnosti, neki bi mogli pomisliti da su začepili bušotinu“, dodaje koautor Jonathan Simpson, postdoktorand na MIT-ovom Odjelu za Zemlju, atmosferu i planetarne znanosti (EAPS). „Ali kako ova studija pokazuje, u nekim slučajevima to možda nije toliko važno. Sve dok održavate određenu brzinu protoka, i dalje biste mogli stvarati minerale i vezati ugljik.“

Tim je krenuo proučavati kako se propusnost i poroznost bazalta mijenjaju kako se tekućina bogata karbonatom upumpava u stijenu i mineralizira kroz nju.

Za svoje eksperimente, tim je koristio uzorke bazalta koje su prikupili tijekom putovanja na Island 2023. godine. Male uzorke bazalta stavili su u posebno izrađen držač koji su spojili na dvije cijevi, kroz koje su tekle dvije različite tekućine, od kojih svaka sadrži otopinu koja, kada se pomiješa, brzo stvara karbonatne minerale. Tim je odabrao ovu kombinaciju tekućina kako bi ubrzao proces mineralizacije.

U stvarnom procesu ubrizgavanja CO2 u tlo, CO2 se miješa s vodom. Kada se pumpa kroz stijenu, tekućina prvo prolazi kroz fazu "otapanja", u kojoj iz bazalta izvlači elemente poput željeza, kalcija i magnezija u tekućinu bogatu CO2 . Ovaj proces otapanja može potrajati neko vrijeme prije nego što se proces mineralizacije, u kojem se CO2 miješa s izvučenim elementima, može nastaviti.

Istraživači su koristili dvije različite tekućine koje se brzo mineraliziraju kada se kombiniraju, kako bi preskočili fazu otapanja i učinkovito proučili učinke procesa mineralizacije. Tim je uspio vidjeti proces mineralizacije koji se odvija unutar stijene, na dosad neviđenoj razini detalja, provodeći eksperimente unutar rendgenskog CT skenera.

Tim je postavio svoj eksperiment u CT skeneru (sličnom onima koji se koriste za medicinsko snimanje u bolnicama) i periodično snimao česte, visokorezolucijske, trodimenzionalne snimke bazalta tijekom nekoliko dana do tjedana dok su kroz njih tekle tekućine.

Njihovo snimanje otkrilo je kako su se pore, pukotine i procjepi u stijeni razvijali i ispunjavali mineralima dok je tekućina s vremenom protjecala. Tijekom višestrukih eksperimenata otkrili su da je propusnost stijene brzo pala unutar jednog dana, za red veličine. Međutim, poroznost stijene smanjivala se mnogo sporije. Na kraju najdulje trajajućih eksperimenata, samo oko 5 posto izvornog pornog prostora bilo je ispunjeno novim mineralima.

„Naši nalazi nam govore da se minerali u početku formiraju u vrlo malim mikropukotinama koje povezuju veće pore i začepljuju te prostore“, kaže Simpson. „Ne treba vam puno da biste začepili sitne mikropukotine. Ali kada ih začepite, to stvarno smanjuje propusnost.“

Međutim, čak i nakon početnog pada propusnosti, tim je mogao nastaviti s protokom tekućine, a minerali su se nastavili formirati u uskim prostorima unutar stijene. To sugerira da čak i kada se čini da je podzemni rezervoar pun, on još uvijek može pohraniti više ugljika. 

„Sveukupno, smatramo da mineralizacija ugljika izgleda kao obećavajući put za trajno skladištenje velikih količina CO2“, zaključuju istraživači.