Clathraathydraten (Fig. 1) zijn kooiachtige structuren van watermoleculen die gastgassoorten huisvesten. Ze vormen wanneer het gas interageert met ijs onder hoge druk en lage temperatuur, en men denkt dat ze de oppervlaktegeologie en samenstelling van ijzige lichamen in het zonnestelsel beïnvloeden. Hoewel het belang van clathrates al lang wordt erkend, eerdere studies van hun vorming en fysische eigenschappen hadden meestal betrekking op theoretische thermodynamische berekeningen voor structuren die zijn geproduceerd uit zuiver wateroplossingen. Bij nieuw onderzoek gepubliceerd in Astronomie en astrofysica , echter, kooldioxide (CO2) clathraathydraten geproduceerd uit zwakke zoutoplossingen zijn onderzocht. Het team van onderzoekers, waaronder promovenda mevrouw Emmal Safi, gebruikte de High Resolution Powder Diffraction-bundellijn (I11) bij Diamond Light Source om een ​​in situ studie uit te voeren van clathraten die relevanter zijn voor die geproduceerd in de zoute oceanen van ijzige manen. De resultaten wijzen op aanzienlijke verschillen in de vormingskenmerken en fysische eigenschappen van CO2-clathraten in vergelijking met die van zuiver wateroplossingen. De nieuwe bevindingen kunnen worden gebruikt om modellen van clathraatvorming op aarde te kalibreren en te informeren, en andere planetaire lichamen.

Clathrates in het buitenste zonnestelsel

Teledetectie van Saturnusmaan Enceladus heeft onthuld dat zowel waterijs als CO2 op het oppervlak aanwezig zijn. en het is een potentiële habitat voor buitenaards microbieel leven. In aanvulling, omstandigheden op deze maan - of andere ijzige satellieten - kunnen de vorming van clathraten bevorderen. Inderdaad, het vrijkomen van gassen (bijv. CO2) uit de vermeende clathraten is gesuggereerd als de bron van gaspluimen die afkomstig zijn van het oppervlak van Enceladus.

De vorming van clathraten beïnvloedt de samenstelling van zowel de oceaan waaruit ze ontstaan ​​als de ijskorst die ze produceren. De fysieke eigenschappen van deze structuren zijn daarom belangrijke stukjes in de puzzel van de ijzige maangeologie. Clathraat hydrateert, echter, zijn "notoir moeilijk te bestuderen in het laboratorium omdat ze vaak moeilijk op aanvraag te maken zijn", legt dr. Stephen Thompson uit, Senior Beamline Scientist voor I11 en mede-onderzoeker van deze studie. Tot nu, experimentele metingen van dergelijke clathraten onder fysiek relevante, planetaire analoge omstandigheden ontbraken daarom. Verder, de thermodynamische berekeningen die over het algemeen worden gebruikt om de fysieke eigenschappen van de constructies te modelleren, kunnen problematisch zijn, omdat ze niet noodzakelijkerwijs kunnen worden geëxtrapoleerd naar de relevante druk- en temperatuuromstandigheden.

Langdurige samenwerking

In het nieuwe onderzoek onderdeel van een PhD-project dat gezamenlijk wordt ondersteund door Diamond en Keele University, de wetenschappers gebruikten een speciaal ontwikkelde experimentele techniek om de fysieke eigenschappen van CO2-clathraathydraten te meten onder een reeks omstandigheden die relevant zijn voor ijzige manen. Ze fabriceerden de CO2-clathraten in het laboratorium uit drie bevroren epsomiet (een magnesiumsulfaatmineraal) oplossingen, met als doel het repliceren van het zoutgehalte van de oceanen op deze satellieten. In situ synchrotron röntgenpoederdiffractiemetingen van de clathraten werden vervolgens gedaan op 11 terwijl de temperatuur van de monsters tussen 90 en 250 K schommelde, in het drukbereik van 5-20 bar. De I11-bundellijn werd gekozen vanwege de gelijktijdige hoge resolutie, in situ gaslevering, variabele temperatuur, en snelle meetmogelijkheden. De resulterende gegevens maken het dus mogelijk om de kristalstructuur van de clathraten te onderzoeken als een functie van de temperatuur, druk, en zoutgehalte.

Het succes van deze experimenten is "bijzonder spannend voor het team", zegt dr. Thompson, omdat "het de laatste stap is in een langdurige samenwerking tussen Diamond en Keele University die teruggaat tot 2010". Bijvoorbeeld, de toepassing van de hogedrukgascellen en de experimentele procedure die in dit werk wordt gebruikt, zijn het resultaat van onderzoek uitgevoerd door dr. Sarah Day tijdens haar doctoraat aan de Diamond and Keele University (dr. Day is nu een I11 Senior Support-wetenschapper en een co-auteur van dit blad).

De rol van het zoutgehalte

De experimentele resultaten geven aan dat CO2-clathraatvorming plaatsvindt bij lagere temperaturen in de epsomietoplossingen dan in zuiver waterijsequivalenten. De gegevens ook onverwacht, laten zien dat de hexagonale polymorf van ijs dominant is gedurende de experimenten, hoewel de kubische vorm thermodynamisch stabieler is bij lage temperaturen. Het team schrijft dit toe aan de aanwezigheid van epsomiet in de oplossingen. De resultaten laten verder zien dat de dichtheid van de clathraten druk- en temperatuurafhankelijk is, en dat ze een hogere dichtheid hebben dan de oplossingen waaruit ze ontstaan. CO2-clathraat zal dus zinken, in plaats van op te staan, in een zoute oceaan en draagt ​​dus mogelijk niet direct bij aan de vorming van de gaspluimen van Enceladus.

Implicaties en toekomstig werk

Dit werk benadrukt de behoefte aan experimentele gegevens in de studie van clathrates onder fysiek relevante omstandigheden. Dergelijke observaties zijn vereist, naast theoretische modellen, om deze structuren volledig te begrijpen en hun potentieel op aarde als brandstofbron (bijv. methaanclathraat) of voor koolstofvastlegging te beoordelen. Als onderdeel van hun lopende werk, het team zal binnenkort soortgelijke experimenten uitvoeren op I11 om de fysische eigenschappen te onderzoeken van methaanclathraathydraten gevormd in ammoniumsulfaatoplossingen, die relevant zijn voor de studie van Titan, De grootste maan van Saturnus.