Ένα αέριο παγιδευμένο για 3 δισεκατομμύρια χρόνια

Οι επιστήμονες παρακολουθούν ένα αέριο που έχει παγιδευτεί εδώ και τρία δισεκατομμύρια χρόνια.

Βαθιά κάτω από τα χρυσωρυχεία της Νότιας Αφρικής, ένα απροσδόκητο αέριο συσσωρεύεται εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια. Το ήλιο, απαραίτητο για τους σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας και την προηγμένη έρευνα, βρίσκεται παγιδευμένο στα αρχαία πετρώματα της λεκάνης Witwatersrand σε συγκεντρώσεις που σπάνια βρίσκονται αλλού.

Στο έργο φυσικού αερίου της Βιρτζίνια, το πλούσιο σε ήλιο φυσικό αέριο φτάνει ήδη στους πελάτες και οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι το κοίτασμα μπορεί να περιέχει περισσότερα από 400 δισεκατομμύρια κυβικά πόδια του στοιχείου.

Αυτό μετατρέπει την τοποθεσία σε ένα φυσικό εργαστήριο για επιστήμονες που μελετούν πώς σχηματίζεται το ήλιο, μεταναστεύει μέσα από τα πετρώματα και επιβιώνει υπόγεια για γεωλογικούς αιώνες.

Η έρευνα διευθύνεται από τον Fin Stuart του Κέντρου Ισοτοπικών Επιστημών ( SUERC ) του Πανεπιστημίου της Γλασκώβης. Η ομάδα του χρησιμοποιεί μετρήσεις ηλίου για να παρακολουθεί την κίνηση αερίων μέσα από ορισμένα από τα παλαιότερα στρώματα του φλοιού της Γης.

Ανιχνεύοντας ήλιο από ραδιενεργά ορυκτά βαθιά κάτω από το έδαφος μέχρι τα σύγχρονα πηγάδια αερίου, οι επιστήμονες στοχεύουν να αποκαλύψουν στοιχεία που θα μπορούσαν να αναδιαμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο ο κόσμος αναζητά αυτόν τον αναντικατάστατο πόρο.

Αρχαίο ήλιο κάτω από τη Νότια Αφρική

Στη νότια λεκάνη Witwatersrand, το έργο φυσικού αερίου της Βιρτζίνια αξιοποιεί φυσικό αέριο με έως και 12% ήλιο, σύμφωνα με λεπτομερείς εργασίες. 

Με βάση την περιφερειακή γεωλογία, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η δεξαμενή περιέχει ήλιο από τότε που τα ιζήματα Karoo την κάλυψαν, περίπου 270 εκατομμύρια χρόνια πριν.

Η ομάδα υποψιάζεται ότι οι πλούσιοι σε ουράνιο ύφαλοι χρυσού κάτω από τη λεκάνη παρέχουν το μεγαλύτερο μέρος του ηλίου, ενώ ένα υπόγειο από θραύσματα γρανίτη βαθύτερα παρέχει μια πρόσθετη πηγή.

Ένα αέριο από το οποίο εξαρτώνται τα νοσοκομεία

Το ήλιο ψύχει υπεραγώγιμους μαγνήτες, οι οποίοι μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, μέσα σε σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας σε νοσοκομεία παγκοσμίως.    

Επειδή το ήλιο σχηματίζεται αργά καθώς το ουράνιο και το θόριο αποσυντίθενται, δεν είναι ανανεώσιμο και δεν αντικαθίσταται σε χρονικά πλαίσια από την ανθρώπινη εμπειρία.

Αυτή η αναντιστοιχία μεταξύ αργής παραγωγής και ταχείας χρήσης έχει ήδη προκαλέσει πιέσεις στην προσφορά ηλίου για εργαστήρια, κατασκευαστές ημιαγωγών και ιατρικά κέντρα.

Ένα κοίτασμα που μπορεί να υποστηρίξει δεκαετίες παραγωγής ηλίου έχει επομένως πολύ μεγαλύτερη σημασία από ένα μόνο ορυχείο, επηρεάζοντας τον μακροπρόθεσμο σχεδιασμό για τις παγκόσμιες αλυσίδες εφοδιασμού.

Ραδιενεργά πετρώματα και καύσιμο ήλιο

Το ήλιο στο πεδίο της Βιρτζίνια είναι σε μεγάλο βαθμό ραδιογενές, που σημαίνει ότι έχει παραχθεί από ραδιενεργό διάσπαση σε βράχους κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων ετών.

Η Υπερομάδα Witwatersrand περιέχει χρυσοφόρους υφάλους ηλικίας 2,8 έως 3 δισεκατομμυρίων ετών που συγκεντρώνουν ορυκτά ουρανίου και θορίου.

Κάτω από αυτά τα ιζήματα βρίσκεται ένα γρανιτένιο υπόγειο, ένα παλιό κρυσταλλικό πέτρωμα φτιαγμένο από αλληλοσυνδεόμενους ορυκτούς κόκκους, που παράγει ήλιο το οποίο διαρρέει σε βαθιά ρωγμές.

Εκτιμώντας τις συνεισφορές ηλίου από κάθε βραχώδη μονάδα, η ομάδα μπορεί να κρίνει τη μακροζωία του πεδίου και να εντοπίσει πού μπορεί να υπάρχουν παρόμοιες συσσωρεύσεις αλλού.

Αρχαίες ενδείξεις για το σύγχρονο αέριο

Το έργο θα χρησιμοποιήσει την πετρογραφία, τη μικροσκοπική μελέτη λεπτών φετών βράχου, για να χαρτογραφήσει ποια ορυκτά σε δείγματα περιέχουν ουράνιο, θόριο και παγιδευμένο ήλιο.

Οι ερευνητές θα εφαρμόσουν μια μέθοδο θερμοχρονολογίας που μετρά τη συσσώρευση ορυκτού ηλίου , αποκαλύπτοντας ποιοι κόκκοι συγκρατούν το ήλιο και ποιοι το απελευθερώνουν γρήγορα.

Τα όργανα ευγενών αερίων στα εργαστήρια SUERC θα θερμαίνουν κόκκους για να απελευθερώσουν τα ισότοπά τους, εκδοχές στοιχείων με διαφορετικές μάζες, αποκαλύπτοντας πότε διαφεύγει το ήλιο.

Συνδυάζοντας μετρήσεις πετρωμάτων με δεδομένα ηλίου και μεθανίου από πηγάδια, η ομάδα θα κατασκευάσει ένα μοντέλο παραγωγής, αποθήκευσης και διαφυγής ηλίου.

Μικρόβια, μεθάνιο και κινούμενο νερό

Μελέτες κατατάσσουν το μεθάνιο της Βιρτζίνια ως βιογενές, που παράγεται από μικρόβια και όχι από αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας.

Σε κοντινά ορυχεία, οι επιστήμονες έχουν λάβει δείγματα από νερά που φιλοξενούν μικρόβια που τρέφονται με χημικές ουσίες, όπως τεκμηριώνεται σε μεταγονιδιωματική έρευνα σε βάθος περίπου 1,9 μιλίων (τριών χιλιομέτρων).

Τα υπόγεια ύδατα που κινούνται μέσω του δικτύου ρηγμάτων της λεκάνης συλλέγουν μεθάνιο και ήλιο, μεταφέροντας αέρια και άλατα καθώς κυκλοφορούν μέσα από βαθιά ρήγματα.

Καθώς το πλούσιο σε αέριο νερό ανεβαίνει, σχηματίζονται φυσαλίδες μεθανίου, παρασύρουν ήλιο και συσσωρεύονται σε δομικές παγίδες όπως το πεδίο της Βιρτζίνια.

Από αέριο σε υγρό

Η Renergen έλυσε τα προβλήματα ψύξης στο εργοστάσιο ψυχρού ηλίου , φτάνοντας τους -452 ° F (-269°C), έτσι ώστε να μπορεί να παραχθεί υγρό ήλιο επί τόπου.

«Αυτή η πρακτική προσέγγιση θα συνεχιστεί μέχρι το εργοστάσιό μας να φτάσει κοντά στην ονομαστική του δυναμικότητα», δήλωσε ο Stefano Marani, Διευθύνων Σύμβουλος της Renergen.

Το εργοστάσιο της Φάσης 1 έχει σχεδιαστεί για να παρέχει υγροποιημένο φυσικό αέριο και περίπου 770 λίβρες υγρού ηλίου κάθε μέρα.

Καθώς η παραγωγή αυξάνεται, η αντιστοίχιση της παραγωγής ηλίου με το γεωλογικό μοντέλο θα είναι κρίσιμη για την αποκατάσταση της εμπιστοσύνης των πελατών και τον σχεδιασμό της δεύτερης φάσης.

Πρόσληψη ιχνηλατών ηλίου

Το Πανεπιστήμιο της Γλασκώβης προσλαμβάνει έναν διδακτορικό ερευνητή για να πραγματοποιήσει αυτό το έργο ηλίου στο πλαίσιο μιας πλήρως χρηματοδοτούμενης διδακτορικής διατριβής.

Το πρόγραμμα απευθύνεται σε φυσικούς επιστήμονες που βρίσκονται στην αρχή της σταδιοδρομίας τους και τους ενσωματώνει στην έρευνα για αρκετά χρόνια.

Αντί να αναλύονται μόνο τα υπάρχοντα σύνολα δεδομένων, ο ρόλος επικεντρώνεται στην πρακτική δειγματοληψία πεδίου, στις εργαστηριακές μετρήσεις και στη στενή συνεργασία με ακαδημαϊκούς και βιομηχανικούς εταίρους.

Ο ερευνητής θα γίνει ο κύριος υπεύθυνος που θα εκτελέσει το έργο, μεταφράζοντας τη γεωλογική θεωρία σε μετρήσεις που εξηγούν πώς το αρχαίο ήλιο έφτασε στο κοίτασμα φυσικού αερίου της Βιρτζίνια.

Μέτρηση πετρωμάτων και αερίου

Ο διδακτορικός ερευνητής θα συλλέξει δείγματα πετρωμάτων, θα προετοιμάσει λεπτές τομές και θα καταγράψει την ορυκτολογία και τις υφές που ελέγχουν την αποθήκευση αερίου.

Στο εργαστήριο, ο φοιτητής θα μετρήσει την κατακράτηση ουρανίου , θορίου και ηλίου σε τύπους πετρωμάτων και στη συνέχεια θα συγκρίνει τα αποτελέσματα με τις συνθέσεις αερίων από πηγάδια.

Η εργασία στα εργαστήρια του SUERC θα εκπαιδεύσει τον διδακτορικό ερευνητή σε φασματογράφους μάζας, όργανα που διαχωρίζουν τα ιόντα κατά μάζα, για τη μέτρηση ηλίου και ευγενών αερίων.

Οι τοποθετήσεις στο Renergen θα προσφέρουν πρακτική εμπειρία με το ήλιο και θα συνδέσουν τη γεωχημεία, τη μελέτη των χημικών προτύπων στα πετρώματα, με εργασίες σε ένα κοίτασμα φυσικού αερίου.

Το ήλιο καθοδηγεί τις μελλοντικές γεωτρήσεις

Η κατανόηση της μετανάστευσης ηλίου στη δομή της Βιρτζίνια θα μπορούσε να βοηθήσει τους γεωλόγους να στοχεύσουν τα κρατόνια, αρχαίους, σταθερούς πυρήνες ηπειρωτικού φλοιού, όπου τα ρηγματωμένα πετρώματα συγκρατούν αέριο ήλιο.

Σε τέτοιες δεξαμενές, οι χαρακτηριστικές υπογραφές ευγενών αερίων, οι αναλογίες ηλίου προς άλλα αδρανή αέρια, μπορούν να υποδηλώνουν ότι ένα πεδίο παρέμεινε σφραγισμένο για αιώνες.

Η μελέτη της Βιρτζίνια θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να βελτιώσουν τις εκτιμήσεις τους για την ποσότητα ηλίου που απελευθερώνεται όταν οι φορείς εκμετάλλευσης εγχέουν διοξείδιο του άνθρακα σε βαθιά υδροφορείς που χρησιμοποιούνται για αποθήκευση.

Επειδή το ήλιο είναι αδρανές και εύκολο στη μέτρηση, τα σήματα ηλίου μπορούν να παρακολουθήσουν εάν το διοξείδιο του άνθρακα που εγχέεται παραμένει υπόγεια ή διαρρέει στην επιφάνεια.

Κοιτάζοντας τρία δισεκατομμύρια χρόνια μπροστά

Η ιστορία του ηλίου στο Witwatersrand συνδέει τη ραδιενεργό αποσύνθεση στον αρχαίο φλοιό, τη μικροβιακή ζωή μίλια πιο κάτω και τη σημερινή ζήτηση για καύσιμα και αξιόπιστη ιατρική απεικόνιση.

Χρησιμοποιώντας το έργο φυσικού αερίου της Βιρτζίνια ως εργαστήριο, οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν πώς αλληλεπιδρούν γεωλογικοί και μηχανικοί παράγοντες στην ανάπτυξη ενός πόρου πλούσιου σε ήλιο.

Καθώς το μοντέλο ηλίου βελτιώνεται, οι εταιρείες και οι ρυθμιστικές αρχές θα κατανοήσουν πόσο καιρό μπορεί να διαρκέσει ο πόρος της Βιρτζίνια και πόσο προσεκτικά θα τον παράγουν.

Τα μαθήματα από αυτό το μέρος της Νότιας Αφρικής θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν μελλοντικές αναζητήσεις για πεδία φυσικού αερίου πλούσια σε ήλιο σε άλλα αρχαία εδάφη παγκοσμίως.

Γεωδίφης με πληροφορίες από το earth.com

https://www.earth.com/news/scientists-track-a-gas-that-has-been-trapped-for-three-billion-years/