Физики смешивают несмешиваемые жидкости и получат живописные «фейерверки»
На самом деле, эти красочные узоры — результат сложного физического явления, которое называется «вязкие пальчики» или, говоря научным языком, нестабильность Саффмана-Тейлора. Она возникает тогда, когда две несмешивающиеся жидкости с разной вязкостью взаимодействуют в ограниченном пространстве: более подвижная жидкость начинает проникать в более вязкую, формируя характерные «пальцевидные» структуры. Подобный эффект можно наблюдать даже в быту.
Целью новой работы ученых было не просто описать это явление, но и оценить возможности для его практического применения. Дело в том, что глубокое изучение таких процессов может существенно повлиять на развитие технологии улавливания и хранения углекислого газа — одного из ключевых парниковых газов, вызывающих глобальное потепление. Именно он несет ответственность примерно за 80% антропогенного нагрева климата. Удаление CO₂ из атмосферы — задача, которая уже реализуется во многих странах, но остается вопрос: куда девать удаленный газ? Один из наиболее перспективных подходов — захоронение его глубоко под землей, в пористых горных породах, насыщенных жидкостью. И именно здесь поведение несмешивающихся жидкостей приобретает особое значение.
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 показало, что, изменяя параметры инжекции — например, чередуя подачу двух жидкостей во времени или изменяя давление, — можно управлять числом и протяженностью возникающих «пальцев». Чем больше этих структур, тем эффективнее газ фиксируется в подземных порах и тем ниже вероятность его утечки обратно в атмосферу.
Таким образом, изучение столь фундаментального и, казалось бы, узкоспециализированного физического процесса приобретает прямое прикладное значение в борьбе с изменением климата. По данным Глобального института CCS, сейчас в мире функционируют 50 промышленных объектов по улавливанию и хранению углерода, еще 44 строятся, а более 500 находятся в стадии разработки. Оптимизация поведения жидкостей в процессе хранения CO₂ может повысить надежность этих проектов и стать еще одним шагом к стабилизации климата на планете.
Ранее ученые разработали инновационный строительный материал, который способен не только выдерживать серьезные нагрузки, но и активно очищать атмосферу от углекислого газа.
