Rissaraset i Rissa kommune i Sør-Trøndelag 29. april 1978 krevde ett menneskeliv og førte til store ødeleggelser. Foto: NGU

Grunnforskning kan gi bedre varsel før ras

PoreLab studerer porøse medier, teoretisk. Men drømmen er blant annet at resultatene kan forutsi leirras.

Porøse medier finnes over absolutt alt, sier professor og leder Alex Hansen i Porous Media Laboratory, eller PoreLab, et senter for fremragende forskning (SFF) ved NTNU. 

Senteret driver forskning i verdensklasse på et felt der Norge er spesielt langt fremme.

Egentlig er porøse medier simpelthen stoffer som har massevis av huller i seg på ett eller annet nivå. Det finnes mengder av disse stoffene, og det forskes mye på dem. For fremdeles finnes flere ubesvarte spørsmål, også slike som du kanskje skulle tro vi allerede visste svaret på.

Hvordan definerer vi for eksempel trykket inne i et porøst medium? Hva er for eksempel trykket inne i sement, eller leire eller pimpstein?

– Det overrasket meg at dette var et problem, sier kjemiprofessor Signe Kjelstrup, seniorforsker ved PoreLab.

Men dette er altså ikke noe vi har visst. Før nå.

Hva er for eksempel trykket inne i sement? Foto: Colourbox

Har to trykk

– Normalt har to væskefaser i et porøst medium hvert sitt trykk. Kan vi likevel snakke om et felles effektivt trykk?  Vi mener vi har funnet en måte å definere et felles effektivt trykk på, sier professor Kjelstrup, ganske overrasket:

– Trykket i porøse medier må justeres for størrelsen på hullene og for overflateegenskapene.

I medier som er porøse på mikronivå gjelder bare det vanlige hydrostatiske trykket. Men ved PoreLab går de også lengre ned i hullstørrelse.

– Vi undersøkte medier som er porøse på nanonivå, forklarer Kjelstrup.

– Vi har brukt datasimuleringer til å beregne trykket i væsken og i det nano-porøse mediumet. Simuleringene viser at det er helt nødvendig å bruke det felles effektive trykket for at regnestykket skal gå opp, forklarer stipendiat Olav Galteland.

Da er det et effektivt trykk som legger føringene, for eksempel for katalyse, eller for betong.  Nanonivå er det minste nivået vi snakker om i dagligtale.

Så hvordan oppstår trykk-korreksjonen i disse mediene? Det ligger en energi i kontakten mellom alle faser som må telles inn. I tillegg har du fremdeles Young-Laplace’s ligning, som sier at det finnes ett trykk i en væske og et annet trykk i nabovæsken.

Men hvorfor er dette viktig?

Nyttig for mye

– Vi holder jo på med teori. Det er viktig å få riktige drivende krefter. Drømmen er at dette kan gjøres anvendelig, for eksempel for folk som ønsker å forutsi leirras, sier professor Kjelstrup. 

Trykket i leire kan nemlig være viktig for å se om den står i fare for å rase ut når leira mettes med vann. (Se film nederst i saken om raset i Rissa.)

Petroleumsvirksomheten er en del av grunnen til at Norge er helt i forkant når det kommer forskning på porøse medier. For dette handler blant annet om strøm av væsker gjennom disse porøse mediene, og dermed er det høyaktuelt for utvinning av olje og gass. Men langt fra bare det.

Kunnskaper om porøse medier er for eksempel viktig for transport av medisiner rundt om i kroppen. Hvordan kan virkestoffene i medisinene fraktes fra fordøyelsessystemet eller blodbanene inn i de delene av kroppen som trenger dem?

– Folk som ønsker hjelp med å formulere transportproblemer kan komme hit, sier professor Kjelstrup.

Hvordan salt trenger inn i betong er for eksempel et høyaktuelt problem i anleggsbransjen. Dette saltet tærer på armeringsjernet og kan gjøre betongbygninger svakere. Hvordan skjer transporten? Hvordan kan vi kontrollere den?

Figur 1. En vanlig distribusjon av store partikler omgitt av mindre væskepartikler (del A). Bidraget til det totale trykket varierer over det representative elementærvolumet (REV) (figur b). Men den gjennomsnittlige totalverdien ligger på en rett linje mellom to reservoarer (B1 og B2) med forskjellig trykk. Illustrasjon: PoreLab

Et laboratorium for tverrfaglighet

PoreLab er altså blant de fremste i verden i forskning på porøse medier. Hemmeligheten er samarbeid på tvers av fagfelt, det alle snakker om, men slett ikke alle får til. Det høres så enkelt ut når senterleder Alex Hansen forklarer.

– Vi har små kontorer med masser av glass, og holder dørene åpne. Så møtes vi i et stort fellesareal. Det har tatt tid, men vi begynner å bli godt sammensveiset. Vi har fått det til. Dette er ekte tverrfaglighet, sier professor Hansen.

Kilde: O. Galteland, Dick Bedeaux, Signe Kjelstrup, Bjørn Hafskjold, Pressures inside a nano-porous medium. The case of a single phase fluid, Frontiers in Physics, accepted March 2019 https://arxiv.org/abs/1812.06656