Studio sulle proprietà di trazione dinamica e sui meccanismi di danneggiamento del granito termicamente trattato sotto raffreddamento acido

Perché fratturare la roccia calda è importante per l’energia pulita

Sprofondati sotto i nostri piedi ci sono grandi riserve di calore intrappolate in rocce dure e cristalline come il granito. Sfruttare questo calore potrebbe fornire energia a basso contenuto di carbonio 24 ore su 24, ma perforare e fratturare queste rocce è difficile e costoso. Questo studio esplora un aiuto sorprendente: l’acido. Riscaldando il granito alle alte temperature tipiche dei giacimenti geotermici e poi raffreddandolo con acqua o con una soluzione acida, i ricercatori mostrano come fluidi scelti con cura possano indebolire la roccia, rendendola più facile da fratturare e potenzialmente più economico convertire il calore sotterraneo in energia utile.

Dalla cava al laboratorio: ricreare le condizioni profonde

Il team ha iniziato con granito proveniente da una regione della Cina che somiglia al «hot dry rock» presente a diversi chilometri di profondità in molti progetti geotermici. Hanno ricavato cilindri piccoli e uniformi per garantire che ogni campione si comportasse in modo coerente sotto sforzo. Questi campioni sono stati riscaldati a temperature che vanno dalla temperatura ambiente fino a 600 °C, coprendo l’intervallo previsto nei giacimenti geotermici reali. Dopo il riscaldamento, ogni gruppo di campioni è stato raffreddato in uno dei tre modi: lasciato raffreddare naturalmente all’aria, immerso in acqua a temperatura ambiente o immerso in una miscela acida forte simile a quelle che gli ingegneri già usano per pulire e stimolare pozzi geotermici.

Ascoltare le rocce e spezzarle

Per valutare quanto danno causassero riscaldamento e raffreddamento, i ricercatori hanno prima misurato la velocità di propagazione delle onde sonore attraverso il granito. Onde più lente segnalano più fratture interne e vuoti. Hanno poi usato un dispositivo che invia un impulso di sforzo rapido attraverso ogni campione a forma di disco, separandolo in una frazione di millisecondo. Questo metodo, noto come prova di trazione dinamica, imita il carico rapido che le rocce subiscono vicino a una punta di perforazione o durante l’iniezione di fluidi. Fotocamere ad alta velocità e tecniche di imaging digitale hanno catturato come i cricche si formavano e si propagavano, trasformando ogni test in un film fotogramma per fotogramma del cedimento della roccia.

L’acido raffredda, incrina e corrode

Le misurazioni hanno tracciato un quadro chiaro: il riscaldamento da solo indebolisce il granito, ma il modo in cui viene raffreddato conta molto. All’aumentare della temperatura da 100 a 600 °C, tutti i campioni hanno mostrato velocità del suono più lente e resistenza a trazione più bassa, il che significa che diventavano più facili da rompere. Tuttavia, i campioni raffreddati con acido sono risultati costantemente i più danneggiati. A 600 °C la loro velocità del suono è diminuita di circa il 71 percento e la loro resistenza alla trazione è scesa di oltre il 60 percento rispetto alla roccia a temperatura ambiente. Dopo l’impatto, i pezzi raffreddati con acido si sbriciolavano in frammenti più piccoli rispetto a quelli raffreddati in acqua o aria. Test ai raggi X sulla composizione minerale e scansioni della chimica superficiale hanno rivelato il perché: l’acido caldo non stava solo raffreddando la roccia ma stava attivamente dissolvendo minerali chiave come il quarzo e riorganizzando altri, aprendo pori e ampliando microfratture in tutto il materiale.

Come crescono le fratture a seconda del raffreddamento

L’imaging ad alta velocità ha mostrato che anche il percorso verso il cedimento cambiava con il metodo di raffreddamento. Nel granito raffreddato naturalmente, le prime cricche visibili tendevano a partire dal centro del disco e poi a propagarsi verso l’esterno. Nei campioni raffreddati con acqua e acido, le fratture iniziali spesso apparivano al bordo sollecitato, dove lo shock termico e il danneggiamento preesistente erano maggiori, per poi dirigersi verso il centro. Con l’avanzare del carico, si diramavano crepe secondarie, formando schemi a X. Alle temperature più alte, la regione vicino al punto di carico si spezzava in molti piccoli cunei, soprattutto nei campioni raffreddati con acido, evidenziando quanto danno aggiuntivo possano provocare insieme shock termico e attacco chimico.

Cosa significa per la geotermia futura

Per un non specialista, il messaggio chiave è che calore più acido può trasformare un granito duro in un materiale molto più facile da fratturare. Riscaldando in anticipo la roccia nel sottosuolo e poi iniettando un fluido acido freddo, gli ingegneri potrebbero aprire più fratture con meno sforzo, migliorando l’efficienza di perforazione e aumentando il flusso di acqua calda o vapore da un giacimento geotermico. Gli autori avvertono tuttavia che l’uso di acidi sottoterra solleva questioni sulla sicurezza ambientale, sulla stabilità della roccia a lungo termine e su come reagiscano tipi di rocce diversi. Nonostante ciò, i risultati offrono una roadmap per mettere a punto chimica del fluido e temperatura per sfruttare più efficacemente l’energia geotermica pulita, usando le debolezze stesse della roccia a proprio vantaggio.

Citazione: Yin, T., Song, J., Liu, F. et al. Study on the dynamic tensile properties and damage mechanisms of thermally treated granite under acid cooling. Sci Rep 16, 6112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37207-5

Parole chiave: energia geotermica, hot dry rock, granito, stimolazione acida, danneggiamento termico