Een van 's werelds mooiste edelstenen - diamanten - veranderen in een van de ergste broeikasgassen - methaan - lijkt geen goed idee. Toch gebeurde dit door het werk van een groep onderzoekers van de universiteiten van Bologna en Edimburgh (VK), het Centre National de la Recherche Scientifique (Frankrijk) en HPSTAR (China). Deze uitkomst is gepubliceerd in Nature Communications was geen onhandige laboratoriumfout. In feite zou deze studie meer inzicht kunnen geven in de diepe koolstofcyclus en de vorming van koolwaterstoffen door abiotische processen (d.w.z. niet gerelateerd aan biologische activiteiten) in de diepe aarde.

De koolstofcyclus van de diepe aarde is goed voor ongeveer 90% van de hele koolstofcyclus. Desondanks is tot op heden weinig bekend over de cyclus die zich onder het aardoppervlak afspeelt. Dit fenomeen is cruciaal voor het leven op onze planeet, omdat het ervoor zorgt dat koolstof in de diepe aarde terug in de atmosfeer kan komen.

"Het is algemeen bekend dat de ontleding van methaan kan leiden tot diamantvorming. Wat tot nu toe minder bekend was, is dat het tegenovergestelde proces ook mogelijk is. Methaan geproduceerd door de reactie tussen diamanten en waterstof was het ontbrekende stuk voor een breder begrip van de diepe koolstofcyclus", legt Alberto Vitale Brovarone uit, professor aan de afdeling Biologische, Geologische en Milieustudie aan de Universiteit van Bologna en ook een van de auteurs van de studie.

De diepe koolstofcyclus omvat ook de vorming van koolwaterstoffen zoals methaan als gevolg van processen die geen biologische activiteiten omvatten. Deze theorie staat al meer dan een eeuw ter discussie. Om deze theorie te testen, gingen onderzoekers uit van diamanten die in wezen edelstenen zijn in de aardmantel, samengesteld uit vaste koolstofatomen in een kristalstructuur.

Geleerden gebruikten een "diamant-aambeeldcel", een experimenteel apparaat onder hoge druk dat wordt gebruikt om twee diamanten culets tegen elkaar te drukken en de drukomstandigheden van de bovenmantel van de aarde na te bootsen, meer dan 70 km diep. Vervolgens, door één atmosfeer zuivere waterstof op 300 °C te duwen, zagen onderzoekers hoe snel methaan werd gevormd met zijn moleculen bestaande uit één atoom koolstof en vier waterstof (CH4).

"We hebben een omgeving gecreëerd die qua temperatuur en druk vergelijkbaar is met die van de buitenste laag van de aardmantel en hebben waargenomen dat diamant en waterstof gemakkelijk reageerden door binnen enkele seconden methaan te produceren", zegt Vitale Bovarone. "Dit toont aan dat koolwaterstoffen zoals methaan zich kunnen vormen op abiotische diepten. Dit fenomeen kan een sleutelrol spelen in de koolstofcyclus van de diepe aarde".

Onderzoekers repliceerden dit experiment door grafiet toe te voegen, dat ook uit pure koolstof bestaat, en een glasachtig koolstofmateriaal. In beide gevallen zagen ze dat methaan sneller en overvloediger werd gevormd in vergelijking met wanneer ze alleen diamanten gebruikten. Deze resultaten suggereren dat op koolstof gebaseerde grafietmaterialen zeer efficiënte reagentia kunnen zijn en daarom kunnen fungeren als energiebronnen die de methaanreserves in de bovenmantel van de aarde voeden.