Nanomechanik enthüllt die Geheimnisse von Sedimentgestein
Das Projekt TOMOTECH (Nanomechanics of natural materials from combining tomography and finite element modelling) kombinierte Röntgentomographie und Finite-Elemente-Modellierung (FE) auf der Nanoskala, um die Stabilität von Kreidefelsen und der verbleibenden Ölvorkommen zu prognostizieren. Der Forscher wählte zwei natürliche poröse Materialien, um die Gültigkeit dieses Ansatzes zu prüfen. Hierbei handelte es sich um mikrostrukturiertes biologisches Material in der Form der Schale des Herzseeigels und geologisches Material in Form von Kreide. Mithilfe von Tomographie und Röntgenstrahlen wurden 2D-Projektionen der inneren Struktur der Proben erstellt. Durch Rotation der Probe und eine große Anzahl von Projektionen war es möglich, die innere Porosität einer Probe in drei Dimensionen zu rekonstruieren. Das 3D-Modell wurde in Finite-Elemente-Software importiert und die Steifigkeit für verschiedene Teile der Schale des Herzigels berechnet. Kreide ist ein biogener Kalkstein, der aus den Überresten von alten Algen gebildet wird, und kann sowohl als Aquifer als auch als Kohlenwasserstoffreservoir dienen. Aufgrund der geringen Größe von Kreidekörnern wurde eine höhere Auflösung benötigt, um die Probe zu untersuchen, weshalb Synchrotron-Röntgentomographie eingesetzt wurde. Mechanische Simulationen wurden mit dem gleichen Ansatz wie bei dem Herzseeigel durchgeführt und zeigten, dass Kreide bei gleicher Porosität viel schwächer ist, als die Seeigelschale. Darüber hinaus nehmen ihre elastischen Eigenschaften mit zunehmender Porosität schnell ab. Außerdem wurde die Technik der sogenannten dissipativen Teilchendynamik (DPD) eingesetzt, um die Diffusion von Teilchen im nanoskaligen Porennetz von Kreide zu simulieren. Dieser Ansatz maß die Verwindung der Kreideproben und zeigte, wie das Porensystem verdreht war, um die Permeabilität richtig zu bestimmen. Permeabilität ist ein wichtiger Faktor bei der Fähigkeit eines Gesteins, um Fluidströmung in der Ölproduktion oder Grundwasserströmen zu unterstützen. Die Ergebnisse der DPD-Simulationen zeigten, dass die Kreideporen sehr schmal waren, was größere Ölkomponenten wesentlich verlangsamt. Darüber hinaus können die Teilchen an der Oberfläche blockiert werden. TOMOMECH war erfolgreich beim Kombinieren von Tomographie und Finite-Elemente-Simulationen, um die Eigenschaften von Materialien abzuleiten. Die Ergebnisse können im Küstenschutz, in der Ölindustrie und für biomimetische Materialien eingesetzt werden. Darüber hinaus lieferten sie wichtige Einblicke in die Beziehung zwischen Struktur und Funktion in biomineralisierten Materialien.
Schlüsselbegriffe
Sedimentgestein, TOMOTECH, Nanomechanik, Finite-Elemente-Modellierung, Röntgentomographie, Kreide, Herzseeigel, Aquifer, Kohlenwasserstoffreservoir, ableitend Teilchendynamik
