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Una roca artificial fracturada ayuda a descifrar un misterio de 54 años

Investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, han resuelto un enigma de 54 años de antigüedad sobre por qué ciertos fluidos se ralentizan extrañamente bajo presión cuando fluyen a través de materiales porosos, como suelos y rocas sedimentarias. Los hallazgos, publicado en la revista ‘Science Advances’, podrían ayudar a mejorar muchos procesos importantes en los sectores energético, medioambiental e industrial, desde la recuperación de petróleo hasta la remediación de aguas subterráneas.

Los fluidos en cuestión se denominan soluciones poliméricas. Estas soluciones, entre las que se encuentran las cremas cosméticas y la mucosidad de nuestra nariz, contienen polímeros disueltos, es decir, materiales formados por grandes moléculas con muchas subunidades repetitivas.

Normalmente, cuando se someten a presión, las soluciones poliméricas se vuelven menos viscosas y fluyen más rápidamente. Pero cuando pasan por materiales con muchos agujeros y canales minúsculos, las soluciones tienden a volverse más viscosas y pegajosas, reduciendo su caudal.

Para llegar a la raíz del problema, los investigadores de Princeton idearon un innovador experimento en el que utilizaron un medio poroso transparente hecho de diminutas perlas de vidrio: una roca artificial transparente. Este medio lúcido permitió a los investigadores visualizar el movimiento de una solución polimérica.

El experimento reveló que el prolongado aumento de la viscosidad en los medios porosos se debe a que el flujo de la solución polimérica se vuelve caótico, como el aire turbulento en un viaje en avión, arremolinándose en sí mismo y atascando el trabajo.

«Sorprendentemente, hasta ahora no se había podido predecir la viscosidad de las soluciones poliméricas que fluyen en medios porosos — afirma Sujit Datta, profesor adjunto de ingeniería química y biológica en Princeton y autor principal del estudio –. Pero en este trabajo, hemos demostrado por fin que estas predicciones pueden hacerse, por lo que hemos encontrado una respuesta a un problema que ha eludido a los investigadores durante más de medio siglo».

«Con este estudio, por fin hemos conseguido ver exactamente lo que ocurre bajo tierra o dentro de otros medios opacos y porosos cuando se bombean soluciones de polímeros», añade Christopher Browne, estudiante de doctorado en el laboratorio de Datta y autor principal del artículo.

Browne dirigió los experimentos y construyó el aparato experimental, una pequeña cámara rectangular repleta al azar de diminutas cuentas de vidrio de borosilicato. El montaje, similar a una roca sedimentaria artificial, abarcaba sólo la mitad de la longitud de un dedo meñique.

En esta roca falsa, Browne bombeó una solución polimérica común con micropartículas de látex fluorescentes para ayudar a ver el flujo de la solución alrededor de las cuentas. Los investigadores formularon la solución polimérica de modo que el índice de refracción del material compensara la distorsión de la luz de las perlas e hiciera que todo el conjunto fuera transparente cuando se saturara.

El laboratorio de Datta ha utilizado esta técnica de forma innovadora para crear suelos transparentes con el fin de estudiar formas de contrarrestar las sequías agrícolas, entre otras investigaciones.

A continuación, Browne amplió con un microscopio los poros, o agujeros entre las perlas, que tienen un tamaño de 100 micrómetros (millonésimas de metro), es decir, una anchura similar a la de un cabello humano, para examinar el flujo de fluido a través de cada poro.

A medida que la solución polimérica se abría paso a través del medio poroso, el flujo del fluido se volvía caótico, con el fluido chocando contra sí mismo y generando turbulencias. Lo sorprendente es que, normalmente, los flujos de fluidos a estas velocidades y en poros tan estrechos no son turbulentos, sino «laminares»: el fluido se mueve de forma suave y constante.

Sin embargo, a medida que los polímeros circulaban por el espacio de los poros, se estiraban, generando fuerzas que se acumulaban y generaban un flujo turbulento en diferentes poros. Este efecto se acentuó al hacer pasar la solución a presiones más altas.

«Pude ver y registrar todas estas regiones irregulares de inestabilidad, y estas regiones realmente afectan al transporte de la solución a través del medio», recuerda Browne.

Los investigadores de Princeton utilizaron los datos recogidos en el experimento para formular una forma de predecir el comportamiento de las soluciones poliméricas en situaciones reales.

Gareth McKinley, profesor de ingeniería mecánica del Instituto Tecnológico de Massachusetts ,que no participó en el estudio, subraya que «este estudio demuestra definitivamente que el gran aumento de la caída de presión observable macroscópicamente a través de un medio poroso tiene su origen físico microscópico en las inestabilidades del flujo viscoelástico que se producen a escala de los poros del medio poroso».

Dado que la viscosidad es uno de los descriptores más fundamentales del flujo de fluidos, los hallazgos no sólo ayudan a profundizar en la comprensión de los flujos de soluciones poliméricas y de los flujos caóticos en general, sino que también proporcionan directrices cuantitativas para informar sobre sus aplicaciones a gran escala en el campo.

«Los nuevos conocimientos que hemos generado podrían ayudar a los profesionales de diversos ámbitos a determinar cómo formular la solución polimérica adecuada y utilizar las presiones correctas necesarias para llevar a cabo la tarea en cuestión –apunta Datta–. Estamos especialmente entusiasmados con la aplicación de los hallazgos en la recuperación de aguas subterráneas».

Como las soluciones poliméricas son intrínsecamente viscosas, los ingenieros medioambientales las inyectan en el suelo en lugares muy contaminados, como fábricas químicas y plantas industriales abandonadas. Las soluciones viscosas ayudan a expulsar las trazas de contaminantes de los suelos afectados. Las soluciones poliméricas también ayudan a la recuperación de petróleo al expulsarlo de los poros de las rocas subterráneas.

En cuanto a la recuperación, las soluciones poliméricas permiten el «bombeo y tratamiento», un método habitual para limpiar las aguas subterráneas contaminadas con productos químicos y metales industriales que consiste en llevar el agua a una estación de tratamiento de superficie. «Todas estas aplicaciones de las soluciones poliméricas, y otras más, como los procesos de separación y fabricación, pueden beneficiarse de nuestros descubrimientos», afirma Datta.

En general, los nuevos descubrimientos sobre los caudales de las soluciones poliméricas en medios porosos reunieron ideas de múltiples campos de la investigación científica, desentrañando en última instancia lo que había comenzado como un problema largo y complejo.

«Este trabajo establece conexiones entre los estudios de la física de los polímeros, la turbulencia y la geociencia, siguiendo el flujo de los fluidos en las rocas del subsuelo, así como a través de los acuíferos –prosigue Datta–. Es muy divertido estar en la interfaz entre todas estas disciplinas diferentes».