Olika former av underjordisk verksamhet, t.ex. djupa brunnar eller deponering av farligt material, kräver långsiktig tätning av berg. Ett forskarteam har utvecklat en innovativ metod baserad på fossiliseringsprocesser för att täta sprickor och brott i berg med hjälp av ett ”konkretionsbildande harts”. Resultaten har publicerats i Communications Engineering.
Förvaring av föroreningar under jord, t.ex. radioaktivt avfall och koldioxid, innebär unika utmaningar. För att undvika utsläpp är det nödvändigt att täta de schakt och borrhål som används för undersökningar och se till att det inte läcker från berget under långa tidsperioder. Tyvärr erbjuder dagens cementbaserade tätningsmaterial inte långsiktig funktionalitet och hållbarhet. Särskilt i jordbävningsdrabbade länder som Japan kan detta leda till framtida komplikationer, t.ex. läckage.
För att hitta en lösning vände sig den ledande forskaren Hidekazu Yoshida vid Nagoya University Museum till sin expertis inom fossilbevarande i kalciumkarbonatkonkretioner. Han förstod att sådana konkretioner bildas ganska snabbt inom loppet av några veckor till år, och att fossil i konkretioner förblir anmärkningsvärt intakta i miljontals år, även när de utvinns från platser som är utsatta för vittring och seismiska störningar. Han funderade på hur ett liknande tillvägagångssätt skulle kunna användas i ett industriellt sammanhang.
”Jag insåg att välbevarade fossil i konkretioner hade stått emot vittring och liknande i tiotals till hundratusentals år i den naturliga miljön”, säger Yoshida. ”Jag blev inspirerad av att studera hur snabbt konkretioner bildades och varför fossilen inuti bevarades så väl.”
En anledning till fossilens hållbarhet är konkretionsprocessen. Det är en naturlig fossiliseringsprocess där mineraler i grundvattnet fälls ut ur vattnet och ansamlas runt det organiska materialet. Kalcit i grundvattnet förseglar lämningarna genom att bilda kristaller runt dem och binder de omgivande sedimenten. Denna mekanism skapar ett nästan ogenomträngligt fossil, där kristallerna blockerar även små, mikrometerstora öppningar.
Ett exempel på en konkretion som bildats runt ett betskal. Fossil i konkretioner är anmärkningsvärt motståndskraftiga. Kredit: Hidekazu Yoshida
Baserat på den konkretionsbildande processen blandade forskarna två ämnen för att utveckla ett ”konkretionsbildande harts”. Hartset innehåller de joner som behövs för att bilda kalcit när vatten tillförs. Kalcit bildar ogenomträngliga kristaller i sprickor och hål, vilket reproducerar den konkretionsbildningsprocess som ses i naturen, bara mycket snabbare.
Under ett test i ett underjordiskt laboratorium 350 meter under markytan i Hokkaido, den nordligaste ön i Japan, upptäckte forskarna att deras hartsbaserade material hade anmärkningsvärda tätningsförmågor. När det applicerades på flödesvägar i berget tätade det dem helt och hållet och snabbt.
Området drabbades av sex jordbävningar inom loppet av två dagar, inklusive en jordbävning med magnitud 5,4, vilket satte deras harts på det ultimata provet. Trots ytterligare fem jordbävningar under testperioden förblev sprickorna täta. Faktum är att öppna sprickor till och med återförslöts när kristallerna omformades.
”Jordbävningarna var en tillfällighet, något som vi aldrig hade förväntat oss eller planerat för”, säger Yoshida. ”De var en överraskning för oss, men det var en fantastisk möjlighet att se hur materialet fungerade. En sådan snabbverkande och långvarig tätningseffekt av bergssprickor, inklusive reparation av sprickor efter jordbävningar, har aldrig tidigare rapporterats. Konventionella cementmaterial kan inte uppnå detta resultat.”
Gruppen arbetar i nära samarbete med Japan Atomic Energy Agency, Sekisui Chemical Co. och Chubu Electric Power Co., Ltd. för att säkerställa att hartset blir kommersiellt gångbart. Efter det framgångsrika testet räknar teamet med ett brett spektrum av tillämpningar, bland annat långsiktig underjordisk inneslutning av radioaktivt avfall och koldioxid, tätning av övergivna oljekällor, grundvattenkontroll vid berg- och gruvbrytning samt reparation av sprickor i åldrande infrastruktur som vägar och byggnader.
Ytterligare information: Communications Engineering (2024). DOI: 10.1038/s44172-024-00216-1
