El gas natural y el petróleo crudo encerrados dentro de capas de esquisto, un tipo de roca sedimentaria, es una de las fuentes de energía más grandes y de más rápido crecimiento del país. Según Drew Pomerantz, un científico de Schlumberger, una empresa de servicios petroleros, Dos de las cuestiones científicas más fascinantes relacionadas con las lutitas son de qué están compuestas y cómo se almacenan y transportan el petróleo y el gas en las rocas.

Para abordar estas preguntas, Pomerantz y su equipo entablaron una colaboración con Dimosthenis Sokaras, científico del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía. Usando la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, los investigadores están desarrollando técnicas para investigar las formas naturales de carbono, como la que se encuentra en el esquisto.

A principios de este año, publicaron un artículo en Energía y combustibles sobre una amplia variedad de formas de carbono que se encuentran en la naturaleza, incluyendo kerógeno, que es carbono orgánico que se encuentra en rocas sedimentarias y es la forma más abundante de carbono orgánico natural en la corteza terrestre.

Estos materiales pueden ser principalmente aromáticos, que contiene átomos de carbono conectados por fuertes, enlaces rígidos, como en grafito o carbón, o mayoritariamente alifático, que contiene átomos de carbono conectados por débiles, enlaces flexibles, como en cera o aceite. Los investigadores encontraron que a pesar de estas diferencias fundamentales, el carbono aromático siempre tiene la misma estructura.

¿Por qué es importante estudiar el carbono?

Sokaras:el carbono está en todas partes, y viene en muchas formas diferentes. Aunque todas estas formas están compuestas por el mismo elemento, la disposición de sus electrones, y de ahí su unión, conduce a propiedades muy diferentes

Pomerantz:En la naturaleza, tienes un poco de carbono en el aire y en la superficie de la Tierra, un poco de carbono en lagos y océanos, pero la mayor parte del carbono orgánico del planeta se encuentra en realidad bajo tierra. Y cuanto más te acercas al centro de la Tierra, cuanto más altas son las temperaturas y presiones, que cambia la química de los materiales. Estos cambios, que en última instancia puede conducir a la formación de petróleo y gas, resultado de un proceso conocido como "maduración térmica". Queríamos estudiar muestras representativas de las muchas formas diferentes de carbono orgánico natural, incluyendo muestras con diferentes vencimientos térmicos.

Nuestra esperanza es que si podemos comprender la estructura de las formaciones de carbono donde se produce el petróleo y los procesos químicos y físicos que ocurren en ellas, podemos hacer mejores predicciones sobre dónde encontrar petróleo y cómo extraerlo del suelo. Esto también puede enseñarnos qué sucede cuando intentamos eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera enterrándolo bajo tierra. donde interactúa con el carbono orgánico que ya está allí.

¿Qué progreso se ha logrado en este frente en SSRL hasta ahora?

Pomerantz:en 2018, publicamos un artículo fundamental en el Revista de química física A en el que descubrimos que la estructura del carbono aromático se refleja en sus espectros de rayos X y que la estructura podría medirse experimentalmente utilizando una forma única de espectroscopía de rayos X en SSRL.

En nuestro artículo más reciente, Tomamos lo que aprendimos en nuestro trabajo anterior y lo aplicamos a materiales del mundo real para ver si podíamos usar nuestra técnica para diferenciarlos. Además de analizar muestras de kerógeno en una variedad de tipos y madurez térmica, Observamos formas de carbono de una variedad de materiales frescos, como en algas y materiales vegetales, y de materiales a base de carbón y petróleo. Demostramos que todos estos materiales comparten una característica común:para la parte de los materiales que están compuestos de carbono aromático, ese carbono aromático siempre tiene la misma estructura. Dado que la estructura del carbono aromático controla sus propiedades y reactividades, Estos resultados ayudan a explicar algunas de las reacciones químicas que ocurren en la naturaleza, incluidos los implicados en la creación de aceite.

¿Qué le permitió lograr estos resultados?

Sokaras:A través de los años, Los investigadores han desarrollado una serie de técnicas que pueden separar sensiblemente las diversas formas de carbono en los sistemas modelo. Sin embargo, cuando se traslada a especímenes que ocurren naturalmente en el mundo real, las cosas pueden volverse un poco más complicadas. De hecho, tales muestras pueden consistir en mezclas complejas no homogéneas de materiales orgánicos y, a menudo, estar en un estado no sólido, fase líquida espesa. Estos casos son difíciles de estudiar utilizando técnicas más tradicionales con requisitos de vacío ultra altos o sensibilidad superficial. En SSRL, nos hemos desarrollado duro o alta energía, Técnicas de dispersión inelástica de rayos X que nos permiten analizar químicamente estas formas de carbono en muestras naturales 'tal cual', proporcionando información sobre la química de material orgánico como el esquisto.

¿Cuáles son los siguientes pasos? ¿A dónde espera que lleve esta investigación?

Pomerantz:Estos estudios han proporcionado una comprensión conceptual de la estructura de una amplia clase de moléculas orgánicas y, con suerte, se utilizarán en el futuro para mejorar no solo el proceso de producción de petróleo y gas a partir de lutitas, sino también el proceso de almacenamiento de dióxido de carbono en lutitas. .

Sokaras:Desde una perspectiva SLAC, también estamos tratando de ver cómo podemos involucrar a otros científicos en la comunidad energética y demostrar el valor de nuestros métodos experimentales. Esperamos que al proporcionar información clave sobre los compuestos relacionados con el petróleo y mostrar cómo las técnicas que desarrollamos aquí se pueden aplicar a los problemas del mundo real que interesan a las empresas petroleras, podemos hacer crecer aún más nuestro programa científico centrado en la energía.