Моделируя поведение жидкостей, которые обычно не смешиваются — к примеру, воды и масла, ученые создают яркие и необычные визуальные эффекты, напоминающие фейерверки. Однако значимость этого явления не ограничивается лишь его визуальной стороной.
На самом деле, эти яркие узоры — результат сложного физического явления, известного как «вязкие пальчики» или, с научной точки зрения, нестабильность Саффмана-Тейлора. Она возникает в момент, когда две несмешивающиеся жидкости с различной вязкостью взаимодействуют в ограниченном пространстве: более подвижная жидкость проникает в более вязкую, формируя характерные «пальцевидные» структуры. Подобный эффект можно наблюдать даже в повседневной жизни.
Цель нового исследования ученых заключалась не только в том, чтобы описать это явление, но и в оценке его потенциального применения. Дело в том, что глубокое понимание таких процессов может значительно повлиять на развитие технологий улавливания и хранения углекислого газа — одного из основных парниковых газов, способствующих глобальному потеплению. Именно он отвечает примерно за 80% антропогенного нагрева климата. Удаление CO₂ из атмосферы — это задача, которая уже решается во многих странах, но остается вопрос: куда девать собранный газ? Один из наиболее многообещающих подходов — захоронение его глубоко под землей, в пористых горных породах, насыщенных жидкостью. И вот здесь поведение несмешивающихся жидкостей становится особенно важным.
В подземных условиях CO₂ в газообразной форме закачивается в водонасыщенные слои. Это система, в которой более подвижный газ внедряется в вязкую жидкость — и, как показывают симуляции, он вызывает в них ту самую нестабильность Саффмана-Тейлора. Исследование продемонстрировало, что, варьируя параметры инжекции — например, чередуя подачу двух жидкостей или изменяя давление, — можно контролировать количество и длину образующихся «пальцев». Чем больше этих структур, тем лучше газ фиксируется в подземных порах и тем меньше вероятность его утечки обратно в атмосферу.
Таким образом, изучение столь фундаментального и, казалось бы, узкоспециализированного физического процесса имеет прямое прикладное значение в борьбе с изменениями климата. По данным Глобального института CCS, в настоящее время в мире функционируют 50 промышленных объектов по улавливанию и хранению углерода, еще 44 находятся в стадии строительства, а более 500 проектов находятся в разработке. Оптимизация поведения жидкостей в процессе хранения CO₂ может повысить надежность этих инициатив и стать еще одним шагом к стабилизации климата на планете.
Фото: hi-tech.mail.ru