CO2 clathrate hydrat egenskaber

Clathrate-hydrater (fig. 1) er burlignende strukturer af vandmolekyler, der huser gæstegasarter. De dannes, når gassen interagerer med is under højtryks- og lavtemperaturforhold, og menes at påvirke overfladegeologien og sammensætningen af ​​iskolde legemer i solsystemet. Selvom vigtigheden af ​​clathrates længe har været anerkendt, tidligere undersøgelser af deres dannelse og fysiske egenskaber har for det meste involveret teoretiske termodynamiske beregninger for strukturer fremstillet af rene vandopløsninger. I ny forskning, udgivet i Astronomi og astrofysik , imidlertid, kuldioxid (CO2) clathrathydrater fremstillet af svage saltvandsopløsninger er blevet undersøgt. Holdet af forskere, herunder ph.d.-studerende Emmal Safi, brugte High Resolution Powder Diffraction beamline (I11) ved Diamond Light Source til at foretage en in situ undersøgelse af klatrater, der er mere relevante for dem, der produceres i de ishavende månes salte oceaner. Resultaterne indikerer væsentlige forskelle i dannelseskarakteristika og fysiske egenskaber af CO2-klatrater sammenlignet med dem, der dannes fra rene vandopløsninger. De nye resultater kan bruges til at hjælpe med at kalibrere og informere modeller af clathratdannelse på Jorden, og andre planetariske kroppe.

Clathrates i det ydre solsystem

Fjernmåling af Saturns måne Enceladus har afsløret, at både vandis og CO2 er til stede på overfladen, og det er et potentielt levested for udenjordisk mikrobielt liv. Ud over, forhold på denne måne – eller andre iskolde satellitter – kan fremme dannelsen af ​​clathrater. Ja, frigivelse af gasser (f.eks. CO2) fra de formodede clathrater er blevet foreslået som kilden til gasfjærer, der stammer fra overfladen af ​​Enceladus.

Dannelsen af ​​clathrater påvirker sammensætningen af ​​både havet, hvorfra de dannes, og isskorpen, som de producerer. De fysiske egenskaber ved disse strukturer er derfor vigtige brikker i puslespillet om iskold månegologi. Clathrate hydrerer, imidlertid, er "notorisk svære at studere i laboratoriet, fordi de ofte er svære at lave på efterspørgsel", forklarer dr. Stephen Thompson, Senior Beamline Scientist for I11 og co-investigator af denne undersøgelse. Indtil nu, eksperimentelle målinger af sådanne klatrater under fysisk relevante, planetariske analoge forhold har derfor manglet. Desuden, de termodynamiske beregninger, der generelt bruges til at modellere strukturernes fysiske egenskaber, kan være problematiske, fordi de ikke nødvendigvis kan ekstrapoleres til de relevante tryk- og temperaturforhold.

Langvarigt samarbejde

I den nye forskning, del af et ph.d.-projekt støttet i fællesskab af Diamond og Keele University, forskerne brugte en specielt udviklet eksperimentel teknik til at måle de fysiske egenskaber af CO2-klatrathydrater under en række forhold, der er relevante for iskolde måner. De fremstillede CO2-klatraterne i laboratoriet ud fra tre frosne epsomit (et magnesiumsulfatmineral) opløsninger, med det formål at kopiere havenes saltholdighedsforhold på disse satellitter. In situ synkrotron røntgenpulverdiffraktionsmålinger af clathraterne blev derefter foretaget på I11, da temperaturen på prøverne blev cyklet mellem 90 og 250 K, i trykområdet 5-20 bar. I11 beamline blev valgt på grund af dens samtidige høje opløsning, in situ gaslevering, variabel temperatur, og hurtige målemuligheder. De resulterende data tillader således klatraternes krystalstruktur at blive sonderet som en funktion af temperaturen, tryk, og saltholdighed.

Succesen med disse eksperimenter er "særligt spændende for holdet", siger Dr Thompson, fordi "det er det sidste trin i et mangeårigt samarbejde mellem Diamond og Keele University, der strækker sig tilbage til 2010". For eksempel, anvendelsen af ​​højtryksgascellerne og den eksperimentelle procedure, der anvendes i dette arbejde, er et produkt af forskning udført af Dr. Sarah Day under hendes ph.d. ved Diamond and Keele University (Dr. Day er nu en I11 Senior Support-forsker og medforfatter af dette papir).

Salinitets rolle

De eksperimentelle resultater indikerer, at dannelse af CO2 -clathrat forekommer ved lavere temperaturer i epsomitopløsningerne end i rene vandisækvivalenter. Dataene også, uventet, viser, at den sekskantede polymorf af is er dominerende gennem eksperimenterne, selvom den kubiske form er mere termodynamisk stabil ved lave temperaturer. Holdet tilskriver dette tilstedeværelsen af ​​epsomite i løsningerne. Resultaterne afslører endvidere, at tætheden af ​​klatraterne er tryk- og temperaturafhængig, og at de har en højere tæthed end de opløsninger, de dannes ud fra. CO2-klatrater vil således synke, frem for at stige, i et salt hav og bidrager dermed muligvis ikke direkte til dannelsen af ​​Enceladus' gasfaner.

Implikationer og fremtidigt arbejde

Dette arbejde fremhæver behovet for eksperimentelle data i studiet af clathrates under fysisk relevante forhold. Sådanne observationer er påkrævet, ud over teoretiske modeller, fuldt ud at forstå disse strukturer og vurdere deres potentiale på Jorden som brændstofkilde (f.eks. methanklatrater) eller til kulstofbinding. Som en del af deres løbende arbejde, holdet vil snart udføre lignende eksperimenter på I11 for at undersøge de fysiske egenskaber af methan-clathrathydrater dannet i ammoniumsulfatopløsninger, som er relevante for at studere Titan, Saturns største måne.