Microfluídica: një laborator që përshtatet në pëllëmbë dhe e ardhmja e pre-salit

Nëse keni përdorur ndonjëherë një printer me shkumë bojë ose keni bërë një test të shpejtë për COVID, shtatëzani ose glukozë, me shumë mundësi keni pasur kontakt me mikrofluidikën – një teknologji gjithnjë e më e pranishme në jetën tonë të përditshme. Kjo shkencë manipulohet me volume të vogla të lëngjeve përmes kanaleve mikroskopikë, më të vegjël se një fijë flokësh. Në këto qarkullime, lëngjet lëvizin në mënyrë të kontrolluar dhe të saktë. Kështu, është e mundur të bëhen analiza me pajisje të madhësisë së një karte krediti, të quajtura “lab-on-a-chip”, ose “laboratorë në një cipë”.

E zhvilluar fillimisht për aplikime biomedicine, mikrofluida ka qenë e përdorur në fusha të ndryshme si kosmetika, sensorë mjedisorë dhe madje edhe në eksplorimin e naftës dhe gazit. Përfitimet janë të mëdha: konsum më i ulët i reagentëve, më pak mbetje, më shumë shpejtësi dhe kosto më e ulët. Në vend të ampullave dhe tubave të provës, mjafton një pikë. Në vend të pritjes disa ditë, rezultati mund të vijë në minuta. Kjo zvogëlon ndikimin në mjedis dhe shpejton proceset që më parë ishin të ngadalta dhe të shtrenjta.

Madhësia bën ndryshimin

Performanca e këtyre sistemeve varet nga mënyra se si lëngjet veprojnë në shkallë të vogla. Në kanale mikroskopikë, fenomenet fizike që lidhen me rrjedhjen e lëngjeve janë shumë të ndryshme nga ato të shfaqura në rrjedhje në tubacione. Në vend të turbulencës, rrjedhja është laminare, pa valëzime. Dy lëngje mund të përzihen vetëm përmes difuzionit, një proces si shpërndarja e një pika ngjyre në një gotë uji. Për më tepër, kur dy lëngje që nuk përzihen (si uji dhe vaji) vijojnë kontakt, ndërfaqja midis tyre gjeneron një forcë shtesë në rrjedhje që ka ndikim të madh në lëvizjen e lëngjeve. Këto karakteristika e bëjnë mikrofluidikën ideale për riprodhimin e fenomeneve komplekse në mënyrë të kontrolluar. Edhe brenda shkëmbinjve nën tokë ku gjendet nafta.

Reservuarët e naftës në një cip

Nafta nxirret nga brenda shkëmbinjve të porozë përmes puseve që injektojnë lëngje (si ujë ose gaz) për të shtyrë naftën drejt sipërfaqes. Procesi i zhvendosjes së naftës ndodh në një shkallë të padukshme, brenda poreve të shkëmbit. Dhe ajo që ndodh aty përcakton suksesin e nxjerrjes. Studimi i këtyre fenomeneve duke përdorur shkëmbinj rezervuarësh është jashtëzakonisht i vështirë. Edhe me tomografi me rreze X, testet janë të shtrenjta, zgjasin ditë dhe kërkojnë sasi të mëdha të lëngut.

Për këtë arsye, në vitin 2011, studiues nga Kanadaja dhe Holanda propozuan një model eksperimental të ri: “reservuarët-në-një-cip”. Ideja është e thjeshtë: përdorë pajisje mikrofludike për të simuluar, në shkallë mikroskopike, mjedisin poroz të një rezervuari nafte. Kjo qasje konsumon sasi minimale të lëngut, lejon të shikohet fenomeni me rezolucion të lartë hapësinor dhe kohor, brenda disa minutash.

Mogabiliteti dhe rrugët e naftës

Në Laboratorin e Mikrohidrodinamikës dhe Fluksit në Mjedise Porozë (LMMP) të PUC-Rio, zhvillojmë kërkime, në bashkëpunim me kompanitë e naftës, për të kuptuar se si përmirësohet rikuperimi i naftës në rezervuarë.

Një nga studimet vlerëson se si “mogabiliteti” — ose thjesht, preferenca e shkëmbinjve për ujë ose naftë — ndikon në nxjerrje. Një tjetër punë hulumtoi formimin dhe përdorimin e sfungjerëve për të drejtuar rrjedhën e lëngjeve brenda rezervuarit. Kjo lejon të bllokohen rrugët e rrjedhjes dhe të rritet sasia e naftës së rikuperuar. Falë mikrofludikës, arrijmë rezultate deri në 10 herë më të shpejta se me eksperimentet tradicionale, që përdorin mostra të mëdha shkëmbinjsh.

Testet në kushte ekstreme

Për që këto studime të kenë një aplikim më praktik, është e nevojshme gjithashtu të simulohet kushtet ekstreme të temperaturës së lartë dhe presionit të lartë të puseve të naftës. Prandaj, laboratori ynë ka miratuar një infrastrukturë të veçantë për të kryer teste me mikrocipa në këto kushte.

Kështu, një nga projektet aktuale heton se si fluidet e shpimit, të përdorura në hapjen e puseve, mund të dëmtojnë shkëmbin dhe ta vështirësojnë kalimin e naftës. Çfarë e quajmë “dëmtimi-i-formacionit-në-çip”.

Për më tepër, po vlerësojmë gjithashtu se cila është doza minimale e substancave kimike që është efektive për të shmangur formimin e ngurtësimeve minerale brenda tubacioneve. Me mikrofluidikën, këto teste që zakonisht zgjateshin javë në teste konvencionale, mund të kryhen në disa ditë, me saktësi të lartë dhe me humbje më të ulët.

Kapsulat inteligjente

Një avancim tjetër në laborator në fushën e mikrofluidsikës është prodhimi i mikro-kapsulave me madhësi të kontrolluar, të afta të lirojnë substanca kimike në mënyrë të drejtuar. Ato mbajnë, për shembull, inhibitore të korrozionit të përfshira nga membrana të ndjeshme ndaj temperaturës, pH-së ose shkaktuesve të tjerë specifikë, që lejojnë lirimin në vend dhe kohën e dëshiruar.

Në ujëra të thella, si në puset e para-salit, temperaturat e ulëta e vështirësojnë injektimin e disa shtesave. Zgjidhja jonë ishte kapsulimi i produkteve dhe të bëjmë që ato të hapen vetëm kur bien në kontakt me naftën e nxehtë që vjen nga rezervuari. Rezultati: humbje më të pakta, ndikim më i ulët në mjedis dhe saktësi më e madhe në dorëzimin e substancës. Kjo teknologji është në fazë të avancuar zhvillimi dhe ka dhënë fillimin e një startup-i me bazë teknologjike, MicroDOTs, e lindur brenda PUC-Rio për të lejuar sjelljen e inovacionit në treg.

E ardhmja në një çip

Popullarizimi i mikroprodhimit ka zgjeruar mundësitë e mikrofluidsikës, duke e bërë më të mundur aplikimin e saj në kontekste të ndryshme. Qoftë në mjekësi, ose në fushën energjetike, ajo që më parë ishte e kufizuar në mjedise shumë të kontrolluara dhe të shtrenjta, sot mund të riprodhohet me më shumë shpejtësi, saktësi dhe ndikim më të ulët në mjedis.

Hulumtimet tona tregojnë se është e mundur të studiohen fenomene komplekse të nxjerrjes së naftës në mënyrë më të arritshme dhe më efikase. Kështu, ne synojmë të kontribuojmë në prodhimin e njohurive dhe avancimin e zgjidhjeve inovative në sektorë strategjikë, të përshtatura me kërkesat për më shumë qëndrueshmëri të industrisë.