Чтобы впервые увидеть этот процесс в реальном времени, исследователи использовали синхротронное малоугловое рентгеновское рассеяние. Эксперименты проводили на образцах антрацита из китайского угольного бассейна Циньшуй.
Оказалось, что нанопоры внутри угля реагируют на углекислый газ по-разному. Самые мелкие поры размером 10−40 нанометров постепенно заполняются молекулами CO₂. Газ словно «сглаживает» их внутренние стенки, заполняя микронеровности и трещины, из-за чего меняются свойства поверхности.
Более крупные поры размером 40−70 нанометров ведут себя иначе. Под действием углекислого газа они деформируются и меняют взаимное расположение, фактически перестраивая внутреннюю сеть каналов, по которым движется газ. Наиболее чувствительными к давлению оказались поры размером 60−70 нанометров.
«Малые поры становятся более гладкими, тогда как в крупных меняются форма и связность. Это указывает на то, что углекислый газ не просто вытесняет метан, а изменяет саму внутреннюю структуру угля», — отметил один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ Кирилл Герке.
Ученые также обнаружили, что после снижения давления часть изменений сохраняется — структура угля не возвращается полностью в исходное состояние. Это говорит о частичной пластической деформации породы.
Авторы считают, что результаты помогут сделать технологии добычи метана из угольных пластов более эффективными, а также усовершенствовать методы подземного хранения углекислого газа, которые рассматриваются как один из способов сокращения выбросов CO₂.