Mit Experimenten Simulationen verbessern

„Poröse Medien sind Materialien, die Löcher haben, die miteinander verbunden sind. So können Flüssigkeiten oder Gase wie zum Beispiel Wasser oder Luft, durch poröse Medien transportiert werden“, definiert Holger Steeb, Professor für Mechanik an der Universität Stuttgart, den Begriff poröse Medien, mit denen er sich in seiner Forschung beschäftigt. Er und Mitarbeitende seines Teams – Samaneh Vahid Dastjerdi und Matthias Ruf – untersuchen die Eigenschaften poröser Medien, die Ingenieur*innen oder Geowissenschaftler*innen benötigen, wenn großskalige Projekte geplant werden, zum Beispiel ein unterirdisches Reservoir in einer Gesteinsformation, um CO₂ oder Wasserstoff zu speichern.

So ein Reservoir kann eine Ausdehnung von mehreren hundert bis mehreren tausend Metern haben und befindet sich üblicherweise in 500 Metern bis fünf Kilometern Tiefe. Um das Verhalten der eingelagerten Stoffe mit dem umgebenden porösen Gestein beschreiben zu können, untersuchen die Wissenschaftler*innen nicht die Materialeigenschaften des gesamten Gesteinsreservoirs – was auch kaum möglich ist – sondern sie verwenden repräsentative Gesteinsproben.

Diese und weitere kleinskalige Phänomene untersuchen die Wissenschaftler*innen im Porous Media Lab an der Universität Stuttgart. Um grundlegende Eigenschaften von porösen Medien und das Strömungsverhalten von Fluiden, wie verschiedene Flüssigkeiten oder Gase, im Porenraum dieser Materialien zu untersuchen, werden Mikrofluidik-Untersuchungen durchgeführt. Hierfür kommen optisch-transparente Mikrofluidik-Modelle zum Einsatz, die Porenstrukturen nachahmen. Aufgrund der Transparenz dieser Modelle kann mittels klassischer Lichtmikroskopie direkt beobachtet werden, wie sich Fluide in der quasi-2D Porenstruktur ausbreiten. 

Für dreidimensionale Untersuchungen hat Postdoktorand Matthias Ruf mit einem ehemaligen Kollegen einen modularen hochauflösenden Röntgen-Computertomographen, kurz: ein μXRCT-System, entwickelt und im PML aufgebaut. „Mit dem hochauflösenden System können wir das Innere der Bohrkerne ­– die Poren und das umgebende Gestein – sichtbar machen, mit einer räumlichen Auflösung von bis zu weniger als zehn Mikrometer“, sagt Matthias Ruf. Zehn Mikrometer (μm) sind 0,01 mm.

 „Eines unserer Ziele war, dass wir von diesen Materialien nicht nur das Innere anschauen, sondern auch physikalische Strömungsexperimente beispielsweise von Mehrphasenströmungen unter den Randbedingungen durchführen können, wie man sie auch in der Geothermie findet,“, sagt Holger Steeb. Das bedeutet Temperaturen bis zu 100 Grad und sehr hohe Umgebungsspannungen und Flüssigkeitsdrücke von bis zu 50 MPa (Megapascal), die in der Tiefe auf das Gestein einwirken. Diese Bedingungen werden im Labor in speziellen Hochdruck-Triaxialzellen nachgestellt „Das sind dann Manteldrücke von bis zu 50 MPa. Die Hochdruck-Triaxialzellen sind röntgentransparent, das heißt, sie lassen die Röntgenstrahlen bis zur Probe durch. So können sich die Wissenschaftler*innen ein Abbild davon machen, was tatsächlich vor Ort in einem Reservoir passiert. 

Mit den µXRCT-Aufnahmen erhalten sie ein dreidimensionales Abbild der Mikrostruktur des Gesteins. „Aber wir können noch mehr machen. Wir können die dreidimensionalen Datensätze nicht nur auswerten und die Bilder anschauen, sondern wir können diese Informationen auch verwenden, um numerische Simulationen direkt auf den Bilddaten durchzuführen, zum Beispiel Mehrphasen-Strömungssimulationen, mit denen wir sehen können, was beim realen Gestein in den Poren auch unter Randbedingungen, die experimentell nicht erfasst werden können, passiert“, erklärt Holger Steeb. 

Eine Reise durch den Stein von oben nach unten: Dreidimensionales Abbild der Mikrostruktur von gebrochenem Sandstein.

Handelt es sich nun aber um Strömungs- und Transportprozesse, die schnell ablaufen, sogenannte transiente Prozesse, braucht es eine andere Methode, diese 3D-bildgebend zu erfassen. „Wenn wir an einem Zweiphasenströmungsprozess interessiert sind, zum Beispiel wenn wir wissen wollen wie Wasser Öl im Porenraum verdrängt, dann ist das ein transienter, zeitabhängiger Vorgang“ so Steeb. „Das muss man sich vorstellen wie einen Film. Und diese Filme, die wollen wir ebenfalls dreidimensional herstellen.“ Für die Aufnahme dieser schnellen Prozesse benötigt man spezielle Röntgenstrahlung, sogenannte Synchrotronstrahlung.

Diese Teilchenbeschleuniger findet man nur in Großforschungseinrichtungen wie dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, der Diamond Light Source in Großbritannien oder der Swiss Light Source am Paul Scherrer Institut in Villigen in der Schweiz. An diesen internationalen Großforschungseinrichtungen kann man als Wissenschaftler Strahlzeit beantragen und sein Projekt nach positiver Bewilligung durchführen. Die Stuttgarter Wissenschaftler*innen sind schon öfter im Team hingereist, das komplette experimentelle Setup wie Proben und Triaxialzellen im Gepäck, und haben in den Laboren dort vor Ort ihre Experimente durchgeführt.

Im Synchrotron werden Elektronen in einer ringförmigen Vakuumröhre fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. „Durch die Ablenkung der Elektronen, um diese auf der Kreisbahn zu halten, entsteht Röntgenstrahlung, mit der man Proben und die darin ablaufenden Prozesse untersuchen kann“, erzählt Holger Steeb. So entsteht etwa jede Sekunde ein dreidimensionaler Datensatz. Die riesigen Datensätze, über Hunderte von Terrabytes, werden anschließend von den Wissenschaftler*innen ausgewertet.

Und das erfordert natürlich auch spezielle numerische Methoden. „Wir sind sozusagen an der Schnittstelle zwischen Experiment, Modellierung und Simulation. Die Erkenntnisse, die wir durch unsere Experimente gewinnen, sowohl die bildgebenden als auch die klassischen physikalischen Resultate, fließen in die Modelle ein. Die Modelle werden dadurch besser und führen zu genaueren Prognosen“, sagt Holger Steeb. Diese Grundlagenforschung an porösen Medien ist in erster Linie für die Wissenschaftscommunity relevant, um Modelle zu verbessern. 

Holger Steeb und sein Team profitieren bei Ihren Untersuchungen aber auch vom Umfeld an der Universität Stuttgart. „Stuttgart hat gerade im Bereich der porösen Medien international eine Sonderstellung. Wir haben ein sehr starkes und sehr großes Forschungsumfeld: Es gibt nicht viele Standorte weltweit, wo so viele Wissenschaftlerinnen und in diesem relativ speziellen Bereich arbeiten“, sagt Holger Steeb. Zudem seien sie aus ganz unterschiedlichen Fachdisziplinen. „Wir haben zum Beispiel die Besonderheit, dass Mathematiker mit Physikern und Ingenieuren eng zusammenarbeiten, wie zum Beispiel im Sonderforschungsbereich SFB 1313. Die werden wiederum unterstützt durch Informatiker, die mit speziellen Visualisierungsmethoden Phänomene sichtbar machen können, die man normalerweise nicht so einfach sieht. Also das ist eine Stuttgarter Besonderheit.“

Manuela Mild | SimTech Science Communication