Para evitar os piores efeitos das mudanças climáticas, bilhões de toneladas métricas de dióxido de carbono gerado industrialmente precisarão ser capturadas e armazenadas até o final deste século. Um local para armazenar essa enorme quantidade de gás de efeito estufa é a própria Terra. Se o dióxido de carbono fosse bombeado para as fissuras e fendas de certas rochas subterrâneas, o fluido reagiria com as rochas e solidificaria o carbono em minerais. Dessa forma, o dióxido de carbono poderia ficar retido nas rochas em forma estável por milhões de anos, sem escapar de volta para a atmosfera.

Alguns projetos-piloto já estão em andamento para demonstrar essa “mineralização de carbono”. Esses esforços têm mostrado resultados promissores em termos de mineralização bem-sucedida de uma grande fração do CO2 injetado . No entanto, ainda não está claro como as rochas irão evoluir em resposta. À medida que os minerais carbonáticos se acumulam, eles podem obstruir fissuras e fendas, limitando, em última instância, a quantidade de CO2 que pode ser armazenada ali?

Em um novo estudo publicado hoje na revista AGU Advances , geofísicos do MIT exploraram essa questão injetando fluido em rochas e usando imagens de raios X para revelar como os poros e fissuras das rochas mudaram à medida que o fluido mineralizou ao longo do tempo.

Os experimentos demonstraram que, à medida que um fluido era bombeado para dentro de uma rocha, a permeabilidade da rocha (a capacidade do fluido de fluir através da rocha) diminuía drasticamente. Enquanto isso, a porosidade da rocha (sua quantidade total de espaço vazio, na forma de poros, rachaduras e fendas) permanecia relativamente a mesma.

Os pesquisadores descobriram que os minerais estavam se precipitando do fluido nos túneis mais estreitos que conectavam os poros maiores, impedindo que o fluido fluísse para os espaços porosos maiores. Mesmo assim, o fluido continuou fluindo pela rocha, embora a uma taxa menor, e os minerais continuaram a se formar em algumas rachaduras e fendas.

“Este estudo fornece informações sobre o comportamento da rocha durante esse complexo processo de mineralização, o que pode dar ideias de como manipulá-la a seu favor”, afirma o coautor do estudo, Matej Pec, professor associado de geofísica do MIT. 

“Se você estivesse injetando CO2 na Terra e observasse uma queda drástica na permeabilidade, alguns operadores poderiam pensar que o poço estava obstruído”, acrescenta o coautor Jonathan Simpson, pós-doutorando no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “Mas, como este estudo demonstra, em alguns casos, isso pode não importar muito. Contanto que se mantenha uma certa taxa de fluxo, ainda é possível formar minerais e sequestrar carbono.”

Os coautores do estudo incluem o cientista pesquisador da EAPS, Hoagy O'Ghaffari, bem como Sharath Mahavadi e Jean Elkhoury, do Centro de Pesquisa Schlumberger-Doll.

O basalto é um tipo de rocha vulcânica expelida por erupção, encontrada em locais como o Havaí e a Islândia. Quando fresco, é altamente poroso, com muitos poros, rachaduras e fraturas que atravessam a rocha. O material também é altamente concentrado em ferro, cálcio e magnésio. Quando esses elementos entram em contato com um fluido rico em dióxido de carbono, eles podem se dissolver e se misturar com o CO2 , formando eventualmente um novo mineral à base de carbono, como a calcita ou a dolomita.

Um projeto desenvolvido na Islândia pela empresa CarbFix está injetando água rica em CO2 no basalto subterrâneo da região para verificar quanto do gás pode ser convertido e armazenado como minerais na rocha. Os testes da empresa mostraram que mais de 95% do CO2 injetado no solo se transforma em minerais em dois anos. O projeto está comprovando que a química funciona: o CO2 pode ser armazenado como pedra.

Mas a equipe do MIT se perguntou como esse processo de mineralização alteraria o próprio basalto e sua capacidade de armazenar carbono ao longo do tempo.

“A maioria dos estudos que investigam a mineralização de carbono tem se concentrado na otimização da geoquímica, mas queríamos saber como a mineralização afetaria as rochas reservatório reais”, diz Pec.

A equipe se propôs a estudar como a permeabilidade e a porosidade do basalto mudam à medida que o fluido rico em carbonato é bombeado e mineralizado em toda a rocha.

“Porosidade se refere à quantidade total de espaço vazio na rocha, que pode estar na forma de vesículas, fraturas que conectam vesículas ou até mesmo áreas entre grãos de areia”, explica Simpson. “Como há muita variabilidade nos padrões de porosidade, não existe uma relação direta entre porosidade e permeabilidade. Você pode ter muitos poros que não estão necessariamente conectados. Portanto, mesmo que 20% da rocha seja porosa, se eles não estiverem conectados, a permeabilidade será zero.”

“Os detalhes disso são importantes para entender todos esses problemas de injeção de fluidos no subsolo”, enfatiza Pec.

Para seus experimentos, a equipe utilizou amostras de basalto coletadas por Pec e outros durante uma viagem à Islândia em 2023. Eles colocaram pequenas amostras de basalto em um suporte construído sob medida, conectado a dois tubos por onde circulavam dois fluidos diferentes, cada um contendo uma solução que, ao ser misturada, forma rapidamente minerais carbonáticos. A equipe escolheu essa combinação de fluidos para acelerar o processo de mineralização.

No processo de injeção de CO2 no solo, o CO2 é misturado com água. Ao ser bombeado através da rocha, o fluido passa primeiro por uma fase de "dissolução", na qual extrai elementos como ferro, cálcio e magnésio do basalto para o fluido rico em CO2 . Esse processo de dissolução pode levar algum tempo, antes que o processo de mineralização, no qual o CO2 se mistura com os elementos extraídos, possa ocorrer.

Os pesquisadores utilizaram dois fluidos diferentes que se mineralizam rapidamente quando combinados, a fim de evitar a fase de dissolução e estudar com eficiência os efeitos do processo de mineralização. A equipe conseguiu observar o processo de mineralização ocorrendo dentro da rocha, com um nível de detalhe sem precedentes, realizando experimentos dentro de um tomógrafo computadorizado de raios X. A equipe instalou seu experimento em um tomógrafo (similar aos utilizados para exames de imagem em hospitais) e capturou imagens tridimensionais de alta resolução do basalto periodicamente, ao longo de vários dias ou semanas, enquanto os fluidos eram injetados.

As imagens obtidas revelaram como os poros, fissuras e fendas da rocha evoluíram e se preencheram com minerais à medida que o fluido fluía ao longo do tempo. Em múltiplos experimentos, os pesquisadores descobriram que a permeabilidade da rocha diminuía rapidamente em um único dia, em uma ordem de magnitude. A porosidade da rocha, no entanto, diminuiu a uma taxa muito mais lenta. Ao final dos experimentos de maior duração, apenas cerca de 5% do espaço poroso original estava preenchido com novos minerais.

Mesmo após a queda inicial na permeabilidade, a equipe conseguiu continuar a fazer o fluido fluir, e os minerais continuaram a se formar em espaços confinados dentro da rocha. Isso sugere que, mesmo quando um reservatório subterrâneo parece estar cheio, ele ainda pode ser capaz de armazenar mais carbono.

Os pesquisadores também monitoraram a rocha com sensores ultrassônicos durante cada experimento e descobriram que o sensor conseguia detectar até mesmo pequenas mudanças na porosidade da rocha. Quanto menos porosa, ou mais preenchida com minerais, a rocha era, mais rápido as ondas sonoras se propagavam pelo material. Esses resultados sugerem que as ondas sísmicas podem ser uma maneira confiável de monitorar a porosidade de rochas subterrâneas e, em última análise, sua capacidade de armazenar carbono.

“No geral, acreditamos que a mineralização de carbono parece ser uma via promissora para o armazenamento permanente de grandes volumes de CO2 ” , conclui Pec. “Existem muitos reservatórios e eles devem ser injetáveis por longos períodos, caso nossos resultados possam ser extrapolados.”

Este trabalho foi apoiado pela Iniciativa de Mineralização Avançada de Carbono do MIT, financiada por Beth Siegelman SM '84 e Russ Siegelman '84, com financiamento adicional da Fundação Chan-Zuckerberg.