Un microlaboratorio está ayudando a los investigadores a descubrir dónde almacenar dióxido de carbono

• Un nuevo dispositivo permite a los científicos observar y cuantificar directamente cómo cambian las rocas en presencia de ácidos, lo que permite evaluaciones más precisas de los sitios de almacenamiento subterráneo de dióxido de carbono, hidrógeno y desechos industriales.

Científicos de la Universidad de Stanford han desarrollado una nueva solución para el desafío que supone asegurarse de que cuando se inyecta dióxido de carbono (CO2) bajo tierra, en realidad se quede estanco.

Durante décadas, los modelos climáticos han mostrado que las olas de calor extremas como las que experimentaron millones de personas este verano se volverían mucho más comunes con los niveles actuales de gases de efecto invernadero. A medida que las emisiones y las temperaturas siguen aumentando, existe un consenso científico cada vez mayor de que los países deberán eliminar y gestionar activamente el CO2 para evitar el calentamiento por encima del umbral de 1,5 grados centígrados por encima de los niveles preindustriales.

Un método ampliamente estudiado para mantener el carbono eliminado fuera de la atmósfera a largo plazo consiste en inyectar CO2 en formaciones rocosas a gran profundidad bajo tierra. Pero aún quedan preguntas por resolver.

«La inyección de dióxido de carbono en las formaciones de almacenamiento puede conducir a reacciones geoquímicas complejas, algunas de las cuales pueden causar cambios estructurales dramáticos en la roca que son difíciles de predecir», dijo Ilenia Battiato, investigadora principal del estudio y profesora asistente de ingeniería de recursos energéticos en Escuela de Ciencias de la Tierra, la Energía y el Medio Ambiente de Stanford (Stanford Earth).

Reacciones en cadena

Durante años, los científicos de la Tierra han simulado el flujo de fluidos, las reacciones y la mecánica de las rocas para tratar de predecir cómo las inyecciones de CO2 u otros fluidos afectarán una formación rocosa determinada.

Sin embargo, los modelos existentes no predicen de manera fiable la interacción y las consecuencias completas de las reacciones geoquímicas, que a menudo producen sellos más herméticos al obstruir de manera efectiva las vías con minerales disueltos, pero también pueden generar grietas y agujeros de gusano que pueden permitir que el dióxido de carbono enterrado afecte el agua potable o escape a la atmósfera, donde contribuiría al cambio climático. “Estas reacciones son omnipresentes. Necesitamos entenderlos porque controlan la efectividad del sello”, dijo Battiato.

Uno de los principales desafíos de modelado se centra en la amplia gama de escalas temporales y espaciales en las que los procesos de interacción se desarrollan simultáneamente bajo tierra. Algunas reacciones desaparecen en menos de un segundo, mientras que otras continúan durante meses o incluso años. A medida que avanzan las reacciones, la evolución de la mezcla y la concentración de varios minerales en cualquier parche de roca, y los cambios en la geometría y la química de la superficie de la roca, influyen en la química del fluido, lo que a su vez afecta las fracturas y las posibles vías de fugas.

Laboratorio incrustado

La nueva solución, descrita el 1 de agosto en Proceedings of the National Academy of Sciences, utiliza un dispositivo de microfluidos, o lo que los científicos suelen llamar un «lab on a chip«. En este caso, los investigadores lo llaman «rock on a chip«, porque la tecnología consiste en incrustar una pequeña astilla de roca de esquisto en una célula microfluídica.

Para demostrar su dispositivo, los investigadores utilizaron ocho muestras de roca tomadas de la lutita Marcellus en Virginia Occidental y la lutita Wolfcamp en Texas. Cortaron y pulieron las astillas de roca en pedazos no más grandes que unos pocos granos de arena, y cada uno contenía cantidades y arreglos variables de minerales de carbonato reactivo. Los investigadores colocaron las muestras en una cámara de polímero sellada en vidrio, con dos pequeñas entradas abiertas para inyecciones de soluciones ácidas. Las cámaras de alta velocidad y los microscopios les permitieron observar paso a paso cómo las reacciones químicas causaron que los granos minerales individuales en las muestras se disolvieran y reorganizaran.

La idea de miniaturizar la investigación que alguna vez requirió grandes laboratorios abarca las ciencias de la Tierra, la biomedicina, la química y otros campos, dijo el coautor del estudio Anthony R. Kovscek , profesor de Keleen y Carlton Beal en Stanford Earth y miembro principal del Instituto Precourt de Stanford para la Energía. “Si puedes verlo, puedes describirlo mejor. Estas observaciones tienen una conexión directa con nuestra capacidad para evaluar y optimizar los diseños para la seguridad”, dijo. Hoy, Kovscek dice que los geólogos en los sitios de perforación pueden examinar rocas bajo un microscopio, pero ninguna tecnología actual se acerca al nivel de detalle posible con este nuevo dispositivo: «No existe nada de este tipo para observar realmente cómo están cambiando las formas de los granos».

Optimización para la seguridad

Mejorar los modelos de transporte reactivo es una cuestión de creciente urgencia, dado el papel de la eliminación de carbono en los planes gubernamentales para abordar el cambio climático y los cientos de millones de dólares que ahora fluyen hacia la tecnología naciente de parte de inversores privados. Los proyectos existentes para la eliminación directa de CO2 de la atmósfera están operando sólo a escala piloto. Los que capturan las emisiones en la fuente son más comunes, con más de 100 proyectos en desarrollo en todo el mundo y el gobierno de los EE.UU. se prepara ahora para gastar 8.200 millones de dólares a través del proyecto de ley de infraestructura bipartidista en la captura y almacenamiento de carbono de las instalaciones industriales.

No todos los planes de almacenamiento de carbono implican enterrar el carbono bajo tierra. Sin embargo, aquellos que involucran almacenamiento geológico podrían recibir ayuda y posiblemente hacerse más estables y seguros con la nueva tecnología de Stanford. “Los investigadores deben incorporar este conocimiento en sus modelos para hacer buenas predicciones sobre lo que sucederá una vez que se inyecte CO 2 , para asegurarse de que permanezca allí y no haga cosas extrañas”, dijo Battiato.

De cara al futuro, Battiato y sus colegas planean usar la misma plataforma para estudiar las reacciones geoquímicas provocadas por las inyecciones de aguas residuales de la producción de petróleo, las plantas de desalinización o la industria, así como el hidrógeno, que figura en los planes de EE. UU. y la UE para reducir las emisiones para 2050. Si bien el almacenamiento subterráneo de hidrógeno a menudo se cita como una solución prometedora para el desafío empinado y persistente de garantizar el almacenamiento seguro del gas altamente inflamable a gran escala, probarlo incluso a escala piloto requerirá mejores herramientas de detección y comprensión de las reacciones biogeoquímicas .

Esta investigación fue apoyada por el Centro para el Control Mecánico de Formaciones No Convencionales, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas. Parte de este trabajo se realizó en las instalaciones compartidas de Stanford Nano, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU.

Fuente: Stanford University