Почему ученые устраивают небольшие взрывы внутри 1-футовых кубов из плексигласа? Они наблюдают, как образуются и растут трещины в камнеподобном веществе, чтобы увидеть, могут ли взрывчатые вещества или пропелленты, подобные реактивному топливу, соединять геотермальные скважины предсказуемым образом.

Геотермальная энергия имеет большие перспективы в качестве возобновляемого источника энергии, который не зависит от солнечного света или ветра, но ее широкое внедрение сопряжено с некоторыми трудностями.

Одна из проблем заключается в том, что в США есть всего несколько мест, где естественно сочетаются горячие камни близко к поверхности Земли с доступными подземными водами. Еще одной проблемой являются первоначальные затраты на бурение и подключение геотермальных скважин. Эрик Роби, инженер-механик Sandia, возглавляет команду, которая исследует, могут ли взрывчатые вещества решить эти две проблемы.

«Наша цель состояла в том, чтобы придумать новый способ создания сети геотермальных разломов, чтобы у вас было четкое представление о том, куда она пойдет, она управляема и управляема, и вы используете меньше ресурсов и более экологичны», — сказал Эрик. . «Именно здесь на помощь приходят взрывчатые вещества и топливо. Идея состоит в том, что они позволят нам отказаться от закачки большого количества жидкости в скважины. Мы сотрудничаем с Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса, чтобы смоделировать взрывы и улучшить предсказуемость формирование сети трещин».

Начав с 1-футовых кубов из плексигласа, которые имитируют многие свойства камня, команда наблюдала за ударной волной взрыва , проходящей через куб, и слушала с помощью специальных микрофонов образование крошечных трещин. Команда использует информацию о расположении трещин и времени образования трещин для уточнения существующих компьютерных моделей подземных взрывов.

Проблемы взлома горячего камня

Поскольку природные образования с правильным сочетанием горячих пород и подземных вод расположены не на всей территории США, Управление геотермальных технологий Министерства энергетики поддерживает исследования, разработку и испытания усовершенствованных геотермальных систем. Усовершенствованная геотермальная система берет место с горячей породой и превращает ее в место, подходящее для производства геотермальной энергии, путем бурения глубоких скважин и тщательного гидроразрыва горячей породы, чтобы вода могла достигать горячей породы и переносить это тепло на поверхность для производства энергии.

По данным Управления геотермальных технологий, усовершенствованные геотермальные системы могут обеспечить энергией 100 миллионов домов.

«Они обнаруживают, что заставить переломы идти туда, куда они хотят, очень сложно», — сказал Эрик. «Цель нашего проекта — посмотреть, сможем ли мы немного больше управлять образованием трещин».

Наблюдая за ударной волной

Используя кубы из плексигласа с небольшим количеством взрывчатых веществ или порохов, зажженных в центре, исследовательская группа может наблюдать за небольшими взрывами, распространяющимися наружу, с помощью сверхскоростных камер, наблюдая за образованием крошечных трещин с помощью других датчиков. Удивительно, но механические свойства плексигласа очень похожи на гранит при температуре около 750 градусов по Фаренгейту, сказал Олег Воробьев, эксперт по компьютерному моделированию в LLNL. По словам Эрика, чтобы еще больше имитировать свойства горячей твердой породы глубоко под землей, команда, в которую входил технолог Sandia Джо Поуп, приложила десятки тонн давления к кубам из плексигласа, чтобы нагрузить материал и посмотреть, как напряжения влияют на образование трещин.

Работая с группой Майкла Харгэтера, которая использует передовые методы визуализации для изучения взрывов и энергетических материалов, в Институте горного дела и технологии Нью-Мексико в Сокорро, команда наблюдала за пульсацией взрывной ударной волны через плексиглас, используя шлирен-визуализацию, метод, который использует ультра- высокоскоростные камеры и зеркала, чтобы «видеть» различия в плотности.

Эти различия могут быть вызваны сжатием ударной волны или даже разницей в температуре, как мерцание воздуха над горячим шоссе, сказала Сивана Торрес, докторант, которая проводила эксперименты в Центре исследований и испытаний энергетических материалов Технологического института Нью-Мексико. Для этих экспериментов команда записала взрывы со скоростью 1 миллион кадров в секунду.

«Этот проект был действительно классным опытом: возможность быть моим собственным инженером-испытателем и визуализировать ударную волну, распространяющуюся через плексиглас», — сказал Торрес. «Одно из самых больших опасений, связанных с кубами размером 1 фут, заключалось в том, что они будут слишком толстыми для нашей системы визуализации. Я провожу небольшие испытания плексигласа. Приятно удивило, что мы смогли увидеть распространение ударной волны».

Команда также использовала метод, называемый фотонной доплеровской велосиметрией, который измеряет скорость ударной волны, когда она достигает внешней части куба, обнаруживая крошечные изменения частоты лазера. Команда надеялась, что сможет увидеть более слабые волны, вызванные образованием трещин, но они смогли увидеть только начальную ударную волну, сказал Эрик.

«Слушая шепот в урагане»

Оправившись от первоначального разочарования, Эрик позаимствовал несколько специализированных микрофонов, называемых датчиками акустической эмиссии. С помощью массива микрофонов на поверхности куба команда смогла услышать более слабые волны, вызванные образованием трещин, и триангулировать, откуда они исходят внутри куба.

«Это все равно, что слушать шепот во время урагана», — сказал Эрик, поскольку ударная волна намного сильнее волн разрушения. «Это был своего рода прорыв, потому что, во-первых, этого никогда раньше не делали, а во-вторых, было очень сомнительно, что мы сможем услышать этот шепот во время урагана, но мы могли».

Данные акустической эмиссии не только позволили команде сопоставить то, что они слышали снаружи куба, с тем, что они увидели внутри куба, что необходимо для перехода от экспериментов с плексигласом к экспериментам с гранитом, но они также могли точно отслеживать, когда возникали трещины. Эрик сказал, что это важно для усилий по компьютерному моделированию.

«Мы учимся летать вслепую, пока еще можем видеть», — сказал Эрик. «Инструменты, которые мы используем в прозрачном пластике, — это те же инструменты, которые мы будем использовать, когда перейдем к непрозрачному камню».

Команда провела аналогичные эксперименты с кубами, сформированными из разных кусков плексигласа, соединенных вместе, чтобы имитировать разломы в скале, чтобы увидеть, как трещины, образованные взрывом, реагируют на разломы горных пород. Они узнали, что образовавшиеся взрывом трещины, как правило, не пересекают ранее существовавшие линии разломов, но величина напряжения, которому подвергается оргстекло, и ориентация скального разлома имеют важное значение, сказал Эрик. Эти результаты также будут использованы для улучшения компьютерных моделей.

Компьютерное моделирование для масштабирования решений

По словам Воробьева, LLNL доверяет компьютерным моделям подземных взрывов, основанным на десятилетиях экспериментов, начиная с подземных ядерных испытаний в 1960-х годах. Однако эксперименты, на которых основывались эти модели, в основном проводились на холодных породах, а не на горячих, необходимых для производства геотермальной энергии.

«В конце концов, цель состоит в том, чтобы понять, как создавать сети трещин в горячем сжатом граните на значительной глубине», — сказал Воробьев. «Это очень сложно с вычислительной точки зрения, потому что события происходят в разных временных масштабах. Распространение ударной волны очень быстрое по сравнению с образованием микротрещин, вызванным взрывоопасными газами».

По словам Воробьева, эксперименты, проведенные Эриком и Торресом, замечательны тем, что они не только предоставляют информацию о последних трещинах, но и фиксируют ряд событий, их породивших. Его задача — проанализировать данные экспериментов Эрика, чтобы уточнить существующие модели LLNL. По его словам, эти модели могут масштабировать результаты лабораторных экспериментов, чтобы иметь возможность предсказывать, что может произойти на реальных участках геотермальных полей.

Один из важных результатов экспериментов заключается в том, что трещины могут начинаться в любом месте вокруг взрывчатого вещества или топлива и расти наружу, но из-за взрывоопасных газов эти случайные трещины в конечном итоге будут расти в направлении областей с меньшим напряжением, таких как вдоль существующих трещин, сказал Воробьев. . По его словам, случайная инициация хороша, поскольку это способ соединить ранее существовавшие параллельные трещины в сеть, которая необходима для производства геотермальной энергии .

Теперь команда проводит эксперименты со взрывчатыми веществами или топливом в 1-футовых кубах гранита с конечной целью перейти на 3-футовые кубы гранита. По словам Эрика, если эти лабораторные эксперименты окажутся многообещающими, команда надеется проверить их в полевых условиях в Пограничной обсерватории Министерства энергетики США по исследованиям в области геотермальной энергии. Есть еще несколько препятствий, которые нужно преодолеть, но если все пойдет гладко, может пройти всего от трех до пяти лет, чтобы провести полевые испытания, а затем и коммерческую реализацию.