PoreFlow: Visualizing multiphase flow in porous media with neutron imaging

Å kunne avbilde væskestrømning inni ugjennomsiktige porøse materialer er viktig for å løse en rekke presserende samfunnsutfordringer. Eksempel på dette er ferskvannsforsyning, håndtering av forurensning av jordsmonn og opptak av medisin i levende vev. Røntgen-CT brukes i økende grad til å gjøre 3D mikroskopi av hvordan porøse materialer ser ut inni, med romlig oppløsning typisk rundt en mikrometer. På grunn av lav kontrast ved bruk av røntgen er det utfordrende å studere væsker inni porene. Nøytroner kan brukes som et alternativ til røntgenstråling for å se inni materialer. En fordel med nøytroner er at de i mange tilfeller gir økt kontrast når man studerer væsker. Fazel Mirzaei er ansatt som PhD-student i PoreFlow-prosjektet. Han er i full gang med sitt fagstudium og eksperimenter både ved hjemmelab, synkrotron og nøytronkilder (PSI og ILL). I 2021 har vi gjort eksperimenter med nøytron-CT hvor vi har studert bergarter som oppløses når de eksponeres for salt (KCl). Disse eksperimentene er viktige for å bedre forstå og forutse f.eks. jordskred og kvikkleire. Videre jobber vi nå med å planlegge nøytron-baserte CT-eksperiment for å følge utviklingen av telehiv under mest mulig realistiske laboratorie-betingelser. Telehiv er et fenomen som gir omfattende skader på bygninger og infrastruktur med store samfunnsøkonomiske omkostninger. PoreFlow-prosjektet gjennomføres som en integrert del av SFF PoreLab, som har strømning i porøse medier som samlende tema. Denne forskningen er viktig for å forstå væsketransport i jord, porøs berggrunn og levende vev - alle tema av høy relevans i den pågående klimakrisen.

Understanding liquid flow in porous materials is key to resolving a range of pressing societal challenges, including fresh water supply and contamination in soil and rocks, as well as drug administration in living tissue and biomedical devices. During the last few years, tremendous progress in the physics of porous media has been made both theoretically and experimentally. X-ray computed tomography (CT) now allows 3D microscopic imaging of the interior of opaque porous materials, with resolution often better than 100 nm. Still, owing to the weak interactions between X-rays and light elements, it remains difficult to obtain information about liquids inside the pores, not to mention their dynamics. In the PoreFlow project, as part of CoE PoreLab, we aim to exploit the inherently higher sensitivity to light elements offered by neutrons to quantitatively monitor liquid dynamics in porous materials in 3D and real time. A top international team with complementary know-how in the fields of physics, neutron imaging, geophysics and life sciences has been assembled, including five Norwegian professors from NTNU, UiO and USN. Starting out with idealized test systems based on microfluidics combined with inert bead packs, the project aims to ultimately image liquid transport in soil, porous rocks and tissue. An important ambition is to challenge existing theories on two-phase flow, including recently published works describing fluctuations in the steady state. PoreFlow is of high relevance to the upcoming European Spallation Source (ESS), and an expressed aim of the project is to prepare Norwegian user communities within the physics, geo- and lifesciences, including relevant industries, for the upcoming new possibilities offered by ESS. In summary, the project aims to contribute to the understanding of multiphase flow in porous media through innovative use of neutron computed tomography - a topic with profound scientific and societal consequences.