התפתחות מבנה הנקבוביות בפחם במהלך טיפול תרמי תת‑קרקעי: חקירה ניסויית

להפוך את הפחם מבעיה אקלימית לכלי אקלימי

פחם נתפס בדרך‑כלל כגורם מרכזי לשינוי האקלים, אך המחקר הזה בוחן דרך להפוך שכבות פחם עמוקות ובלתי מנוצלות למקור אנרגיה נקי יותר ולבית ארוך‑טווח לפחמן־דו‑חמצני (CO2). על‑ידי חימום עדין של הפחם מתחת לפני הקרקע במקום שריפה על פני השטח, ניתן לייצר דלקים שימושיים תוך השארת חומר מוצק עשיר בפחמן בדמות ספוג נוקשה — שעשוי לשמר CO2 בבטחה. המחקר שואל שאלה פשוטה אך מכרעת: כשהפחם מחומם במקום, כיצד משתנה המבנה הפנימי של ה"נקבוביות" וכמה טוב הוא יוכל לאחסן CO2 לאחר מכן?

לחמם פחם בלי לחפור אותו

הגישתית, הנקראת טיפול תרמי תת‑קרקעי בפחם, מחממת לאט את שכבות הפחם בסביבה נטולת חמצן בטמפרטורות של עד 600 °C. במקום לחצוב את הפחם, מהנדסים יזרימו חום דרך בארות, יקבצו את הגזים והנוזלים שמשתחררים ויחזרו להשתמש באותן בארות להזרקת CO2 חזרה לשכבה שעובדה. המוצק שנשאר, המכונה פיצ'וליט (pyrolytic char), מתנהג כמו ספוג יציב מבוסס פחמן מלא בנקבוביות בגדלים שונים. נקבוביות אלה קובעות כמה דלק ניתן לייצר במהלך החימום וכמה CO2 יכול הסלע לאחסן לאחר מכן, ולכן הבנת התפתחותן קריטית לתכנון תהליך בטוח ודל‑פחמן.

מבט אל תוך המבוך הנסתר של הפחם

כדי להציץ ברשת הנקבוביות הנסתרת הזו, החוקרים לקחו פחם מדרג נמוך ממונגוליה הפנימית וחיממו דגימות לאט מאוד לשמונה טמפרטורות יעד בין 30 °C ל‑600 °C תחת גז הליום. לאחר מכן השתמשו בשלוש טכניקות משלימות במעבדה: ספיחת CO2 כדי לחקור את הנקבוביות הזעירות (פחות מ‑2 ננומטר), ספיחת חנקן לאפיון נקבוביות בגודל בינוני, והחדרת כספית כדי למפות נקבוביות וסדקים גדולים יותר. יחד איפשרו השיטות לעקוב אחרי שינויים בנפח הנקבוביות הכולל, בשטח הפנימי ובמורכבות רשת הנקבוביות כאשר הפחם עבר שלבי חימום שונים.

ממרחב מתכווץ לספוג מתרחב

התוצאות מראות שהפחם אינו פשוט "נפתח" במהלך החימום; במקום זאת המרחב הפנימי עובר שלבים מובחנים. בהתחלה, כשהטמפרטורה עולה מטמפרטורת החדר לכ‑350 °C בערך, נפח הנקבוביות הכולל בפועל יורד אף על פי ששטח הפנים הפנימי עולה מעט. נוזלים שנוצרים בשלבי החימום המוקדמים חודרים לנקבוביות גדולות יותר ומסתמים חלקית אותן, בעוד שמתהוות מספר נקבוביות זעירות חדשות. בין כש‑350 °C ל‑450 °C המגמה מתהפכת: גזים ונוזלים שהתפרקו בורחים, יוצרים חללים חדשים ומרחיבים הן נקבוביות גדולות והן קטנות. מעל בערך 450 °C, ובייחוד ב‑600 °C, הפחם מפתח הרבה יותר נקבוביות קטנות לצד חידוש הנקבוביות הגדולות, כך שנפח ושטח פנים מוחלטים עולים באופן ניכר ורשת הנקבוביות נעשית מחוברת יותר.

שלושה שלבים מרכזיים בשינוי הצורה של הפחם

על ידי קישור מדידות אלה לסמן סטנדרטי של בשלות הפחם, החוקרים זיהו שלושה שלבים בתהליך החימום התת‑קרקעי. בשלב הראשון (בשלה נמוכה) נוצרת אובדן חלל כאשר נוזלים ממלאים נקבוביות בינוניות וגדולות. בשלב השני (בשלה בינונית) התפרקות מהירה של חומר אורגני ושחרור גזים מוחצנים ערוצים חדשים, מה שמעלה באופן חדה את נפח הנקבוביות ואת הקישוריות. בשלב הסופי, של יצירת גזים ובשלות גבוהה יותר, שחרור גזים מתמשך וסידור מבני מייצרים אוכלוסייה צפופה של נקבוביות זעירות לצד התרחבות נקבוביות גדולות. הנקבוביות הזעירות מספקות את רוב שטח הפנים הפנימי שבו מולקולות ה‑CO2 יכולות להידבק, בעוד שהנקבוביות הגדולות פועלות כמסדרונות שמאפשרים ל‑CO2 להיכנס ולהתפשט בתוך הסלע.

מה משמעות הדבר לאחסון פחמן תת‑קרקעי

במונחים יומיומיים, חימום תת‑קרקעי מבוקר הופך חתיכת פחם יחסית קומפקטית לספוג מורכב וברב‑רמות. המחקר מראה שהפעלת הטיפול בטמפרטורות גבוהות יותר בטווח שנבדק מגדילה משמעותית את מספר הפינות המיקרוסקופיות שבהן ניתן להחזיק CO2 ומשפרת את השבילים שמאפשרים לגז להתפשט דרך השכבה. השילוב הזה עשוי לאפשר לטיפול תרמי תת‑קרקעי בפחם לספק דלקים שימושיים ובמקביל להשאיר פילטר תת‑משטחי היכול לאחסן CO2 לטווח הארוך, ובכך לסייע להעביר את הפחם ממעמסה אקלים טהורה לחלק מאסטרטגיית ניהול פחמן רחבה יותר.

ציטוט: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

מילות מפתח: טיפול תרמי תת‑קרקעי בפחם, אחסון CO2, נקבוביות בפחם, טכנולוגיית פחם נקייה, קליטת פחמן