В настоящее время известно, что такие клатраты хранят огромное количество метана и других газов в вечной мерзлоте, а также в огромных слоях отложений глубиной в сотни метров на дне океанского дна. Поэтому их потенциальное разложение может иметь серьезные последствия для нашей планеты, что делает более глубокое понимание их свойств ключевым приоритетом.
В статье, опубликованной в журнале Nature на этой неделе, ученые из Геттингенского университета и Института Лауэ Ланжевена (ILL) сообщают о первом пустом клатрате этого типа, состоящем из каркаса молекул воды с удаленными молекулами-гостями. Этот пустой клатрат, который долгое время считался чисто гипотетическим, играет важную роль в нашем понимании физической химии газовых гидратов. Такие исследования могут помочь облегчить поток газа и нефти по трубопроводам в условиях низких температур и открыть неиспользуемые резервуары природного газа на дне океана.Чтобы создать образец льда XVI, исследователи сконструировали клатрат, заполненный молекулами неонового газа, которые затем удалили осторожной откачкой при низких температурах.
Использование небольших атомов, таких как атомы неонового газа, позволило опорожнить клатрат без ущерба для его хрупкой структуры. Для этого клатрат неона откачивался в вакууме при температурах около 140 ° К, а данные нейтронной дифракции снимались с использованием современного дифрактометра D20 компании ILL. Полученные изображения позволили им подтвердить, когда клатрат был полностью опустошен, и предоставили полную картину полученной структуры.В качестве стабильного твердого вещества, полностью состоящего из молекул H2O, пустой клатрат также представляет собой новую фазу льда.
Лед XVI — это 17-я открытая форма льда, наименее плотная из всех известных кристаллических форм воды. Также предсказано, что это будет стабильная низкотемпературная конфигурация воды при отрицательном давлении (эквивалент напряжения — противоположность сжимающему положительному давлению), и до сих пор это единственная экспериментально полученная форма льда, имеющая клатратную конфигурацию.Поскольку пустой клатрат используется в качестве системы отсчета для многочисленных молекулярных симуляций, ученые до сих пор полагались на приблизительные теоретические модели, чтобы подкрепить свою работу. Пустой клатратный каркас, полученный в ILL, теперь позволит точно определить его фундаментальные структурные и термодинамические свойства.
Возможность создавать и наблюдать такие пустые клатраты может значительно улучшить наше понимание этих соединений, когда они заполнены газом.Согласно World Energy Outlook 2007, общее количество метана, хранящегося в клатратах на дне океана, намного превышает экономически выгодные запасы «обычного» углерода в форме угля, бензина или природного газа, оставшегося на Земле.
Эти резервуары трудно эксплуатировать в настоящее время, но они являются областью интенсивных текущих исследований.Томас Хансен, один из авторов исследования и специалист по приборам на D20 в ILL, говорит: «Важно отметить, что клатраты также могут образовываться с углекислым газом, который создает стабильные соединения на дне океана. Это означает, что существует возможность извлекать метан и преобразовывать его в полезную энергию и заменять его CO2. Другими словами, мы могли бы закачать CO2 на дно океана в качестве замены метана в газовых гидратах.
Естественно, возникнут серьезные проблемы и осуществимость была поставлена под сомнение, но остается чрезвычайно интригующей возможностью, которую стоит изучить. Хансен добавляет: «Мои соавторы Анджей Фаленти и Вернер Ф Кухс из Геттингенского университета являются участниками проекта SUGAR, финансируемого правительством Германии. , цель которого — изучить научные, технические и экономические возможности такого предприятия. Аналогичная деятельность в настоящее время ведется в Японии, Китае, Индии и других странах ».
Гельмут Шобер, научный директор ILL, сказал: «Пустые клатратные гидраты в течение многих лет были предметом интенсивных научных спекуляций, поскольку само их существование было относительно неопределенным. Настоящее открытие окончательно разрешает эти предположения и дает нам новую жемчужину в мире. увлекательный сундук с сокровищами ледяных фаз. Прогнозирование свойств льда XVI станет эталоном для любой модели, претендующей на описание физики воды.
Это само по себе является огромным шагом вперед. Мы надеемся, что благодаря этому пониманию мы также продвинемся вперед. окружающие вопросы, связанные с энергией ". Область, в которой исследование клатратов приносит более непосредственную пользу, — это обслуживание трубопроводов, по которым газ транспортируется при высоких давлениях и низких температурах. Эти условия могут привести к образованию газовых гидратов в трубах, которые, в свою очередь, образуют значительные засоры, предотвращение которых обходится промышленности примерно в 500 миллионов долларов в год во всем мире.
Учитывая большое влияние таких трубопроводов на международную экономику, это представляет собой значительный фактор затрат, который могут помочь уменьшить дальнейшие исследования свойств клатратов.