Вчені створили симуляцію для захоронення вуглекислого газу

На перший погляд зображення нагадують святкові феєрверки: яскраві спалахи, що розходяться назовні, їхні відростки закручуються у гіпнотичних спіралях. Але це не феєрверки у нічному небі. Це комп'ютерні симуляції, створені вченими для вирішення багатовікової фізичної проблеми: як рухаються рідини, коли вони не можуть змішуватися.

У новому дослідженні команда науковців з Тайваню на чолі з Чі-Чіаном Чоу та Чін-Яо Ченом змоделювала те, що відбувається, коли дві незмішувані рідини, такі як олія та вода, конкурують у тісних просторах. Результатом стало вражаюче відображення «в'язкого розгалуження» — явища, яке одного дня може бути використане для вирішення нагальної глобальної проблеми: як назавжди захоронити вуглекислий газ під землею.

Дослідження зосередилося на типі нестабільності, назва якої звучить як з детективного роману: нестабільність Саффмана-Тейлора. Коли тонша, більш рухлива рідина вторгається у товщу, млявішу, межа між ними згинається та фрагментується. Довгі, розгалужені пальці виривають назовні від точки контакту, утворюючи складні, часто красиві візерунки.

«Це конкретне міжфазне явище ретельно вивчалося протягом багатьох десятиліть», зазначають автори, «через його складне утворення візерунків та потенційні застосування», включаючи видобуток нафти та пом'якшення кліматичних змін.

Для подальшого дослідження команда використала високоточні симуляції на основі фізичної моделі під назвою Кан-Хілліард-Хеле-Шоу. Це дозволило їм відтворити та маніпулювати делікатним танцем між рідинами. У цих симуляціях в'язка чорна рідина спочатку вводилася у клітинку. Потім менш в'язка прозора рідина чергувалася туди і назад у ретельно розрахованих циклах. Кожна заміна створювала нове кільце нестабільності.

Результатом стали шар за шаром вибухи розгалуження — концентричні, розгалужені гребені рідини, що нагадували розквіт феєрверків. Зображення отримали місце у Галереї руху рідин 2023 року Американського фізичного товариства.

Вуглекислий газ, домінуючий парниковий газ, що нагріває планету, може бути вловлений з атмосфери або промислових джерел. Але вловлювання — це лише половина битви. «Видалення великих кількостей вуглекислого газу з атмосфери можливе», пояснила недавня стаття Live Science. «Але він все ще має кудись дітися».

Цим «кудись» часто є підземелля. Один метод секвестрації вуглецю передбачає введення газу CO₂ у пористі гірські породи, заповнені солоною водою. Цей процес не такий простий, як здається. Дві рідини — газ та вода — погано змішуються. І їхній контраст в'язкості може спровокувати той самий тип нестабільності розгалуження, що спостерігається у лабораторії.

Насправді, «феєрверки з симуляції показують, що кількість та протяжність пальців можна змінити залежно від того, коли і як вводиться рідина», згідно з Live Science. Контроль цього візерунка міг би допомогти інженерам утримати вуглець від просочування назад на поверхню.

Автори спостерігали дивовижну поведінку у своїх симуляціях. Коли чергування рідини було точно розраховане, пальці з одного циклу прослідковували шляхи, прокладені у попередніх циклах. Цей ефект каналізації створював вкладені, багатошарові візерунки.

У випадках з більш екстремальними відмінностями в'язкості пальці рідини розривалися, утворюючи острови та краплі. Ці розриви не спостерігалися при звичайному, безперервному введенні. «Це свідчить про те, що потрібен додатковий механізм для розриву пальців», пишуть дослідники, «або термодинамічне фазове розділення, або гідродинамічне чергування введення».

Робота команди базується на попередніх висновках, що показали, що зміна швидкості введення з часом — прискорення або сповільнення — може впливати на форму та досяжність пальців. Але їхнє нове дослідження додає щось більше: чергування типів рідин створює багатшу палітру поведінки.

Для моделювання цього команда використала серію передових математичних інструментів. Вони розрахували, як концентрація рідини змінювалася з часом, використовуючи методи Рунге-Кутта третього порядку та компактні схеми скінченних різниць — все це розроблено для відстеження гострих як бритва меж між рідинами. Вони перевірили свою модель проти попередніх експериментальних результатів, забезпечуючи, що їхні віртуальні феєрверки відповідали тому, що можна було побачити у лабораторії.

Захоплення та зберігання вуглецю швидко розвивається. Станом на 2024 рік 50 об'єктів вже працювали, з сотнями інших у розробці по всьому світу. Розуміння того, як рідини поводяться у цих середовищах, є суттєвим для довгострокової життєздатності цих проектів.

Ось де такі дослідження, як це, стають у нагоді. Іноді вирішення найбільших проблем планети починається з розуміння найменших візерунків. Результати були нещодавно опубліковані у журналі Physical Review Fluids.