Вращается винт, и вращается атом, и найдена нефть подо льдами, ура!

Исследователи из США и Канады разработали мобильный спектрометр ядерного магнитного резонанса, позволяющий находить и отслеживать разливы нефти под арктическим льдом. Особенность нового прибора в том, что он не использует другие источники постоянного магнитного поля, кроме собственного магнитного поля Земли. Операторам устройства нет необходимости спускаться на лед: можно вести измерения с борта вертолета, спустив на тросе радиочастотную катушку [1].

Постановка проблемы

Изменение климата приводит к тому, что летом в Арктическом регионе льды отступают. Это создает более благоприятные условия для коммерческого судоходства в приполярных областях. Однако оборотная сторона интенсификации судоходства — увеличение риска разлива или утечек нефти. Для своевременной борьбы с этой экологической опасностью необходимы надежные инструменты обнаружения таких разливов и слежения за ними. Для поисков разливов нефти в открытой воде такие методы существуют [2], однако их не всегда легко приспособить для Арктики. Несмотря на то что в последние годы в летней Арктике льда становится меньше, он никогда не исчезает полностью. На летний разлив нефти в открытой воде Северного Ледовитого океана может влиять движение льдин, которое зависит от погодных условий. Если же утечка нефти случится в конце короткого арктического лета, попавшие в окружающую среду нефть или нефтепродукты могут быть захвачены в пустоты растущей ледяной корки.

Подводные дроны и четвероногие ищейки

Исследователи предпринимали уже несколько попыток решить проблему поиска нефти в замерзающей воде, но их нельзя назвать успешными. Существующие автономные подводные аппараты обладают несколькими недостатками. Чувствительность детекторов подводных дронов значительно падает, если нефть или нефтепродукты оказываются запертыми в пустотах быстро растущего льда. Скорость перемещения аппаратов невелика, и они не могут быстро изучить большие площади. Кроме того, они могут передавать собранную информацию только с поверхности океана, и есть риск, что, пока автономный аппарат всплывает, чтобы связаться с базой, обнаруженное им загрязнение под действием морских течений отдрейфует на несколько километров.

Кроме того, предполагалось искать разливы нефти с помощью специально натренированных собак, но и этот метод нельзя назвать удачным. Чтобы обнаружить нефтяное загрязнение, люди и животные должны высадиться на лед, и это также ограничивает размеры территории, которую можно исследовать. И человек, и собака, работающие на арктическом льду, должны пройти специальные тренировки, и даже после них такой способ поиска утечек нельзя назвать безопасным.

Итак, исследователи решили сосредоточиться на разработке методов быстрого и дистанционного обнаружения нефти с помощью устройств, размещенных на летательных аппаратах.

Спин к спину

Группа исследователей из США и Канады решила использовать для поиска нефтяных разливов метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Он основан на детектировании сигналов атомных ядер, ядерный спин которых заставляет их вращаться в постоянном магнитном поле. Чаще всего с помощью метода ЯМР изучают простейшее атомное ядро водорода, состоящее из одного протона. Во-первых, протоны отличаются исключительно высокой чувствительностью к магнитному полю; во-вторых, атомы водорода входят в состав огромного количества соединений, в том числе воды и нефти. Поэтому идея применения ядерного магнитного резонанса для обнаружения нефтяных разливов показалась исследователям перспективной.

Спектроскопия ЯМР и работающая по тому же принципу аналитическая методика магнитно-резонансной томографии (МРТ) уже давно используются за пределами химических, физических, биологических и медицинских лабораторий, где требуется строгий контроль окружающей среды, например поддержка определенного температурного интервала. В основном ЯМР служит универсальным инструментом определения структуры веществ, однако существуют младшие ветви метода, которые могут применяться в полевых условиях. Магнитный резонанс используют в нефтедобыче [3], для обнаружения противопехотных мин, в аэропортах для проверки багажа на наличие взрывчатых веществ или наркотиков [4].

Главная трудность заключалась в том, чтобы научить прибор обнаруживать тонкий слой нефти с помощью мобильного детектора, размещенного на поверхности льда в близком присутствии морской воды. Был риск, что сигналы атомов водорода молекул воды в составе льда просто перекроют сигналы, соответствующие водороду, входящему в состав нефти. «Замаскировать» сигналы воды разработчикам нового метода удалось благодаря тому, что ядра атомов водорода, входящего в состав воды, отличаются очень небольшим временем спин-спинового взаимодействия — отрезком времени, за которое происходит переход между спиновыми состояниями отдельного ядра и перераспределение спиновой энергии по всей системе ядер, обладающих магнитной активностью. К счастью, для прибора, способного обнаружить сигнал ядер атомов водорода с длительным временем спин-спинового взаимодействия, сигналы атомов водорода воды или льда просто незаметны, а спин-спиновое взаимодействие атомов водорода, входящих в состав в нефти и нефтепродуктов, происходит относительно медленно.

Жертвы во имя мобильности

Кроме того, в интересах мобильности устройства пришлось преодолеть еще одну сложность. Для увеличения чувствительности ЯМР или МРТ необходима ориентировка спинов ядер в магнитном поле. Эта задача решается с помощью магнитов, создающих постоянное магнитное поле, однако они существенно увеличивали вес мобильного детектора. Поэтому исследователи решили отказаться от внешних магнитов и положиться на магнитное поле Земли. Чаще всего в ЯМР-спектрометрах создается магнитное поле напряженностью в 40 тыс. раз выше, чем магнитное поле Земли. Таким образом, интенсивность сигналов ЯМР в отсутствие внешнего поля должна ослабнуть в несколько миллионов раз. Поэтому исследователи решили повысить чувствительность метода, увеличив размеры детектора сигналов — радиочастотной катушки.

Диаметр радиочастотной катушки для нового прибора составляет чуть более 10 м. Дальнейшее увеличение диаметра могло бы еще больше нарастить чувствительность прибора, однако нужно было предусмотреть возможность безопасной транспортировки по воздуху, а также размещение катушки на слое льда. Наиболее массивная версия катушки с источниками питания составляла 1350 кг — практически любая модель вертолета, эксплуатируемая в Арктическом регионе, способна справиться с таким грузом, тем более что катушку вполне можно сделать еще легче, используя для подачи энергии электросистему вертолета и отказавшись от аккумуляторных батарей. Лед тоже должен выдержать катушку: хотя она и весит больше тонны, но при достаточно большой площади поверхности будет оказывать на лед давление не более 15 кг/м², то есть на порядок выше давления, которое оказывает на лед среднестатистический взрослый человек. Попутно исследователям пришлось решить еще одну задачу — экранировать радиочастотную катушку от электромагнитных помех, которые создают системы работающего вертолета.

Растительное масло в роли нефти

Возможности нового устройства уже продемонстрированы в условиях, моделирующих полевые. На одном из водоемов в канадской провинции Ньюфаундленд и Лабрадор была размещена платформа толщиной 81 см, которая моделировала арктический лед. В качестве модели нефтяного загрязнения выступало разлитое по контейнерам растительное масло. Контейнеры с маслом размещали двумя способами: так, чтобы их положение моделировало нефть под слоем льда, и так, чтобы моделировалась инкапсуляция нефти в лед. Вертолет поместил катушку на «лед», и в течение двух-трех минут новая разновидность ЯМР-спектрометра смогла детектировать слой «нефти» толщиной в 1 см. Новый прибор также смог найти «нефть», инкапсулированную в «лед», но пока еще ошибается в том, на какой глубине она находится; погрешность составляет около 25 см.

Ученые и инженеры, разработавшие новый вид ЯМР-детектора, планируют дождаться зимы и испытать свое изобретение уже на настоящем арктическом льду. Также они предполагают, что незначительные изменения настроек детектора позволят обучить его и другим «профессиям»: например, изучению свойств грунта или поиску неглубоко залегающих грунтовых вод.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук

От редакции. Подробнее о ядерном магнитном резонансе можно прочесть в научно-популярном очерке докт. физ.-мат. наук Алексея Крушельницкого, опубликованном на страницах нашей газеты несколько лет назад [5].

1. Altobelli S. A. et al. Helicopter-borne NMR for detection of oil under sea-ice // Mar. Pollut. Bull. 2019. № 144. P. 160–166. DOI: 10.1016/j.marpolbul.2019.04.041
2. Svejkovsky J. et al. Characterization of surface oil thickness distribution patterns observed during the Deepwater Horizon (MC-252) oil spill with aerial and satellite remote sensing // Mar. Pollut. Bull. 2016. № 110(1). P. 162–176. DOI: 10.1016/j.macrobul.2016.06.066
3. Kleinberg R.L., Jackson J. A. An introduction to the history of NMR well logging Concepts // Magn. Reson. 2001. № 13(6). P. 340–342. DOI: 10.1002/cmr.1018
4. King J.D., De Los Santos A. Development and evaluation of magnetic resonance technologies, particularly NMR, for detection of explosives // Appl. Magn. Reson. 2004. № 25. P. 535–565. DOI: 10.1007/BF03166547
5. Крушельницкий А. ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о ядерном магнитном резонансе // ТрВ-Наука. № 128 от 7.05.2013.