Tilbake til søkeresultatene

SFF-Sentre for fremragende forskn

Porous Media Laboratory, Porøse-medier laboratoriet

Alternativ tittel: Porøse-medier laboratoriet

Tildelt: kr 148,1 mill.

Porøse media er faste materialer som er full av hull. Hvis disse hullene henger sammen, kan væsker eller gasser strømme gjennom dem. Hvordan de gjør dette utgjør porøse mediers fysikk. Når det er flere ikke-blandbare væsker som konkurrerer om de samme porene og det er overflatespenning mellom væskene, blir det svært vanskelig å forutsi hva disse væskene vil gjøre når vi samtidig trykker dem gjennom det porøse mediet. De eksisterende teoriene som brukes til å håndtere dette problemet er per i dag lite utviklet. Hvis vi nå legger til muligheten for at ikke bare væskene flyter men også materialet som utgjør det porøse mediet, for eksempel hvis det består av sand, blir problemet ekstremt vanskelig og ekstremt interessant. Væskestrømmen og sanden - det granulære mediet - kan danne de mest fantastiske strukturer og former. Porøse medier er overalt rundt oss. Underjordisk vann transporteres i porøse akviferer, oljen er deponert i porøse reservoarer. Forurensninger følger regnvann ned i bakken som er et porøst medium; hvor ender forurensningene opp? Når underjordisk vann drives til overflaten under jordskjelv, kan det skyve jordpartiklene fra hverandre slik at bakken mister sin styrke med resultatene at bygningen tipper over. Mindre dramatisk, men ekstremt viktig, er rollen porøse mediers fysikk spiller i brenselcelleteknologi. En bedre forståelse av strømningsmønstrene i brenselsceller vil gjøre dem mye mer effektive - et viktig mål i en verden som trenger å bli grønnere. Vi er her godt i gang med å konstruere et bedre system for å bringe oksygen og hydrogen inn til og hente vanndamp ut av reaksjonskammeret i brenselsceller. Vi er nå i stand til å beregne friksjonen som karakteriserer disse transportprosessene og derved kan vi optimalisere dem. Det interdisiplinære miljøet i PoreLab er konstruert for å skape kontakt mellom forskjellige fagmiljøer. I løpet av senterets levetid så langt har dette skjedd mellom kjemikere, fysikere og geoteknikere på følgende måte: Geoteknikere har lenge målt såkalte segregasjonskoeffisienter i forbindelse med telehiv, men det har ikke eksistert noen tilfredsstillende teori som forklarer hvorfor det dannes is-linser i arktiske strøk når temperaturen på overflaten synker under null. Vår teori, utviklet gjennom vårt PoreLab-samarbeid, sier at det skjer en transport av vann fordi dette bidrar til transport av varme. I sin bok «Gjennom Sibirien» fra 1914 skrev Fridtjof Nansen: «En ny bro var bygget på tre-peler som var rammet ned i mudderet, men da det var dypt måtte pelene skjøtes. Da ingeniørene kom igjen siste vår, var pelene løftet opptil 31 cm. Da de ble gravd ut, viste det seg at i skjøtene hadde det lagt seg is som hadde sprengt bjelkene fra hverandre». Det er disse fenomenene som enda ikke har fått sin endelige vitenskapelige forklaring. Vi mener vi skal greie å få til det i løpet PoreLabs levetid! Vi ser også frem til å implementere det i storskala-ingeniørberegninger av frossen jord. Vi nevnte innledningsvis mønsterdannelsen som foregår når blandinger av partikler og væske beveger seg. Under gitte omstendigheter dannes labyrintmønstre som er større, bedre og mer komplekse enn noe man kan observere i aviser. Vi har begynt å studere diffusjonsfenomen på disse labyrintstrukturene og det viser seg at diffusjonen oppfører seg helt annerledes enn forventet: den er anomal. Vi står her overfor et eksepsjonelt godt verktøy til å studere dette fenomenet som har vært sett i mange andre sammenhenger men som den dag i dag ikke er godt forstått. Disse labyrintene kobles nå sammen med vår forskning på brenselseceller. Det har vist seg uhyre vanskelig å beskrive samtidig strøm av ikke-blandbare væsker i porøse medier på en slik måte at man kan modellere hva som skjer på skalaer som er mye større enn porestørrelsen. En av grunnpilarene i PoreLab er å gå løs på akkurat dette problemet. I 2018 til 2022 har vi publisert flere arbeider som beskriver relasjoner mellom strømningshastighetene til de forskjellige væskene og deres relasjoner til kreftene som driver dem. Dette arbeider fortsetter for full maskin i 2022. Ved bruk av eksperimentelle verktøy som spenner fra synkrotronstråling for å visualisere væskefortrenging i sandstein til fortrengningseksperimenter i kunstige porøse medier som består av glasskuler sammen med en væske med optiske egenskaper som gjør kulene usynlige, er alt nå på plass for et tett samarbeid mellom teori og eksperiment.

PoreLab brings together 6 scientists from 3 NTNU departments with 4 scientists from the University of Oslo, and one from SINTEF-see page 12-to overcome the current fragmented approach to porous media research in Norwegian universities, consultancies and industry. PoreLab will bring in 10 international researchers (2 US, 1 Canadian, 3 French, 1 UK, 1 Spanish and 1 Greek)-see page 13-to work on specific research challenges in addition to researchers from the company Schlumberger. The team has recognized that it is now feasible to develop porous media research relevant to biology, chemistry, geology and geophysics, through a novel combined approach encompassing hydrodynamics, fluid mechanics, non-equilibrium thermodynamics and statistical mechanics, making use of the enhanced power of supercomputers through the Norwegian Metacenter for Computational Science. Practical problems associated with flow in porous media have often been described with trial and error methods because the science underlying their calculations is insufficient, or inadequate to describe the situations in which they must make their calculations. PoreLab aims to replace the current systems of calculations with more robust theories, principles, tools and methods. Results to be delivered will enable us to better describe two-phase flow in porous media, including in unconsolidated materials. We will predict regimes of steady-state two-phase flow and elucidate relaxation properties of transients. The role of wettability and buoyancy for such flow will be understood. The consequence will be that the upscaling problem is solved, having an economic impact in numerous fields, e.g. in biology, chemical technology, physics and geophysics. First applications by PoreLab will include design new electrode assemblies for fuel cells and improved methods for CO2 sequestration. PoreLab will train 22 PhDs and 12 postdocs advancing this new field with wide ranging applications.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Budsjettformål:

SFF-Sentre for fremragende forskn