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F.A.Z. v. 27.10.1999

Einblicke in poröses Material

Kernspinresonanz mit Edelgasen / Sedimente auf dem Prüfstand/ Von Rainer Scharf

Mit der Kernspinresonanz kann man Körpergewebe und komplizierte räumliche Strukturen untersuchen. Das Verfahren beruht darauf, dass die kernmagnetischen Momente bestimmter Atome eines Mediums durch ein starkes Magnetfeld ausgerichtet werden. Die Atome geben daraufhin eine charakteristische Radiostrahlung ab und verraten dadurch ihre räumliche Verteilung. Bei den Untersuchungen stützt man sich im Allgemeinen auf ein flüssiges Medium - zum Beispiel das Wasser, das im Gewebe selbst enthalten ist. Neuerdings verwenden die Forscher aber auch Edelgase wie Helium-3 oder Xenon-129. Weil sich die Edelgase in Poren viel schneller ausbreiten als Wasser oder andere Flüssigkeiten, kann man mit ihnen die räumliche Struktur von trockenen, porösen Materialien besonders zügig erkunden.

Eine Forschergruppe um Ronald Walsworth vom Harvard-Smithsonian Center of Astrophysics in Cambridge/Massachusetts hat jetzt die innere Struktur verschiedener Sedimentgesteine mit der so genannten Gasdiffusions-Kernspinresonanz analysiert ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 3324). Dazu wurden die Gesteinsproben unter dreifachem Atmosphärendruck dem Edelgas Xenon ausgesetzt. Die kernmagnetischen Momente der Xenonatome hatte man zuvor durch polarisiertes Laserlicht ausgerichtet. Erwartungsgemäß drangen die Xenonatome rasch in die Poren ein. Doch je weiter sie sich ausbreiteten, desto langsamer kamen sie voran. Der Grund dafür sind die vielen stark gewundenen und verzweigten mikroskopischen Gänge im porösen Gestein.

Mit dem Verfahren konnten die Wissenschaftler erstmals auf direktem Wege den Widerstand messen, den dieses Labyrinth der Ausbreitung der Atome entgegensetzt. Dabei zeigten sich deutliche Differenzen zwischen Gesteinssorten, die zwar eine ähnliche Porosität, aber unterschiedlich komplizierte Porenstrukturen hatten. Je komplexer das Labyrinth war, desto langsamer kamen die Atome voran.

Mit dem neuen Kernspinresonanz-Verfahren wird es möglich sein, die Durchlässigkeit von Gesteinen für Erdöl, Erdgas oder gelöste Schadstoffe zu bestimmen. Außerdem lassen sich jetzt die Strukturänderungen von porösen und granularen Materialien unter mechanischer oder thermischer Beanspruchung verfolgen. Schließlich können auch Schäume und andere flüssig-poröse Strukturen kernmagnetisch untersucht werden. Damit haben sich die Möglichkeiten der Kernspinresonanz gewaltig erweitert. 
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