Науковці розробили модель для захоронення вуглецю.

Дослідники з Тайваню створили модель рідин для вдосконалення технологій зберігання CO₂ під землею.

На перший погляд ці зображення можуть нагадати святкові феєрверки: яскраві спалахи, що поширюються у різні боки, а їхні відгалуження закручуються у вражаючих спіральних формах. Проте це не феєрверки, що розцвітають у нічному небі. Це результати комп'ютерних симуляцій, розроблені вченими для дослідження давньої фізичної загадки: як ведуть себе рідини, коли їх не можна змішувати.

У свіжому дослідженні група вчених з Тайваню під керівництвом Чі-Чіана Чоу та Чін-Яо Чена створила модель, що демонструє поведінку двох незмішуваних рідин, таких як олія і вода, в обмежених просторах. В результаті вони отримали вражаюче явище, відоме як "в'язке розгалуження", яке в майбутньому може бути використане для вирішення критично важливої глобальної проблеми: безпечного захоронення вуглекислого газу під землею.

Дослідження акцентувало увагу на особливому виді нестабільності, що має назву, яка нагадує сюжет детективного твору: нестабільність Саффмана-Тейлора. Коли більш легка і рухлива рідина проникає в густішу, повільнішу, межа між ними викривляється та фрагментується. Довгі, розгалужені «пальці» вириваються з точки дотику, створюючи складні і часто вражаючі 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 аналізу команда застосувала високоточні симуляції, засновані на фізичній моделі, відомій як Кан-Хілліард-Хеле-Шоу. Це дало змогу їм відтворити та маніпулювати тонкою взаємодією між рідинами. У цих симуляціях спочатку у клітинку вводили в'язку чорну рідину, а потім менш в'язка прозора рідина періодично переміщалася туди й назад у ретельно спланованих циклах. Кожна зміна створювала нове коло 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 із методів секвестрації вуглецю полягає у закачуванні вуглекислого газу (CO₂) в пористі гірські формації, які містять солонуваті води. Однак цей процес не такий простий, як може здатися на перший погляд. Газ і вода — це дві рідини, які погано взаємодіють. Їхня різна в'язкість може викликати той же вид нестабільності, який спостерігається в лабораторних умовах.

На основі інформацій Live Science, "феєрверки з симуляції демонструють, що кількість і довжина пальців можуть варіюватися в залежності від часу і способу введення рідини". Управління цим візерунком могло б стати корисним інструментом для інженерів, щоб запобігти поверненню вуглецю 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".

Діяльність команди ґрунтується на попередніх даних, які свідчать про те, що зміна швидкості введення — прискорення або уповільнення — може впливати на форму та досяжність пальців. Проте їхнє нове дослідження відкриває нові горизонти: варіювання типів рідин формує більш різноманітну палітру поведінки.

Для проведення моделювання команда застосувала ряд сучасних математичних інструментів. Вони проаналізували, як змінювалася концентрація рідини з плином часу, використовуючи методи Рунге-Кутта третього порядку та компактні схеми скінченних різниць, розроблені для точного відстеження різких меж між рідинами. Модель була перевірена на відповідність з попередніми експериментальними даними, що забезпечило відповідність їх віртуальних симуляцій реальним спостереженням у лабораторії.

Технології захоплення та зберігання вуглецю стрімко прогресують. На 2024 рік вже функціонують 50 об'єктів, а ще сотні знаходяться на стадії розробки в різних куточках планети. Важливо глибше зрозуміти поведінку рідин у таких умовах, оскільки це критично впливає на стійкість і довгострокову ефективність цих ініціатив.

Саме тут подібні дослідження набувають значення. Часто розв'язання найскладніших глобальних проблем починається з усвідомлення найменших нюансів. Нещодавно ці результати були опубліковані в журналі Physical Review Fluids.