Nieuw onderzoek van de Universiteit van Texas in Austin heeft een belangrijk mysterie verklaard over de vorming van aardgashydraat en, daarbij, het inzicht van geavanceerde wetenschappers in hoe gashydraten kunnen bijdragen aan klimaatverandering en energiezekerheid.

Het onderzoek maakte gebruik van een computermodel van gasbellen die door hydraatafzettingen stromen, een veelvoorkomend fenomeen dat volgens bestaande modellen, zou op basis van natuurkunde niet mogelijk moeten zijn. Het nieuwe model helpt verklaren hoe sommige afzettingen uitgroeien tot enorme aardgashydraatreservoirs, zoals die gevonden onder de Golf van Mexico.

Een paper waarin het onderzoek werd beschreven, werd op 16 februari gepubliceerd, 2020, in het journaal Geofysische onderzoeksbrieven .

Gashydraten zijn een ijzige stof waarin gasmoleculen, typisch methaan, onder hoge druk en lage temperatuur vast komen te zitten in waterijskooien. Ze komen veel voor in de natuur, een aanzienlijk deel van 's werelds organische koolstof bevatten en een toekomstige energiebron kunnen worden. Echter, er blijven veel vragen over hoe hydraatafzettingen zich vormen en evolueren.

Een van die vragen werd opgeworpen door waarnemingen in het veld waarbij methaan vrijelijk als gas door hydraatafzettingen in de ondergrond stroomde. Wat wetenschappers verbaasde, is dat onder omstandigheden waar hydraten voorkomen, methaan zou alleen als hydraat moeten bestaan, niet als gratis gas. Om het mysterie van het vrijstromende gas op te lossen, een team van UT-onderzoekers onder leiding van Dylan Meyer, een afgestudeerde student aan de UT Jackson School of Geosciences, in het lab nagebootst wat ze in het veld zagen.

Met behulp van deze gegevens, ze veronderstelden dat als hydraat zich vormt in een afzetting, het ook fungeert als een barrière tussen gas en water, beperking van de snelheid waarmee nieuwe hydraat wordt gevormd, en waardoor veel van het gas door de afzetting kan borrelen. Ze ontwikkelden dit idee tot een computermodel en ontdekten dat het model overeenkwam met experimentele resultaten. Bij het opschalen, ze kwamen ook overeen met bewijs uit veldstudies, waardoor het het eerste model van de verschijnselen is om beide met succes te doen. Cruciaal, het model suggereert dat gas dat door de ondergrond stroomt, zich kan ophopen in grote, geconcentreerde hydraatreservoirs, die geschikte doelen zouden kunnen zijn voor toekomstige energiebronnen.

"Het model reproduceert overtuigend een reeks onafhankelijke experimentele resultaten, die de fundamentele concepten erachter sterk ondersteunen, " zei Meyer. "Wij geloven dat dit model een essentieel hulpmiddel zal zijn voor toekomstige studies die de evolutie van grote, sterk geconcentreerde hydraatreservoirs die een relatief snelle gasstroom door poreuze media ervaren."

De studie is de eerste keer dat dit soort model is gebouwd met behulp van gegevens van experimenten die zijn ontworpen om het gasstroomproces na te bootsen. Het team produceerde hun eigen hydraatafzetting in het laboratorium met behulp van een mengsel van zand, water en gas en het nabootsen van de extreme omstandigheden in de natuur. Hun inspanningen leverden hen realistische en relevante gegevens op om hun model te ontwikkelen.

Co-auteur Peter Vlamingen, een professor aan de Jackson School, zei dat het belangrijk is om te begrijpen hoe methaangas door hydraatlagen in de ondergrond reist, belangrijk voor het begrijpen van de rol van methaan in de koolstofcyclus en de mogelijke bijdrage ervan aan het broeikaseffect.

"Het artikel geeft een elegant en eenvoudig model om enkele zeer uitdagende experimenten uit te leggen, ’, aldus Vlamingen.

De experimenten van de studie werden uitgevoerd in gespecialiseerde laboratoria van de Jackson School, maar het model was het resultaat van een campusoverschrijdende samenwerking tussen twee UT-scholen, de Jackson School en de Cockrell School of Engineering.

Meijer, Vlamingen en Kehua Jij, een onderzoeker aan het University of Texas Institute for Geophysics (UTIG), de originele computercode hadden ontwikkeld om hun experimentele resultaten te verklaren, maar pas toen ze samenwerkten met David DiCarlo, een universitair hoofddocent aan de UT Cockrell School of Engineering, die hen liet zien hoe de resultaten konden worden gepresenteerd met behulp van analytische wiskunde, dat ze het probleem met succes konden aanpakken op een manier die overeenkwam met wat ze in de natuur zagen.

Het artikel is het hoogtepunt van Meyers afstudeeronderzoek en bouwt voort op twee eerder gepubliceerde artikelen die zich richtten op de resultaten van zijn laboratoriumexperimenten. Meyer studeerde in 2018 af met een doctoraat aan de Jackson School en is nu postdoctoraal onderzoeker aan de Academia Sinica in Taipei.

Het onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) en maakt deel uit van een breder partnerschap tussen de DOE en de Universiteit van Texas in Austin om methaanhydraatafzettingen in de Golf van Mexico te onderzoeken.

Veel van de laboratoriumexperimenten die in het huidige onderzoek zijn meegenomen, zijn uitgevoerd door Meyer in het UT Pressure Core Center, een laboratorium aan de Jackson School dat is uitgerust om in 2017 onder druk staande kernen uit natuurlijke methaanhydraatafzettingen op te slaan en te bestuderen en dat nog steeds de enige dergelijke universiteitsfaciliteit is.