Gli idrati di metano sono noti anche come “ghiaccio che brucia”
(Modello a sfere e bastoncini della molecola di metano, CH 4 , fonte)
Gli idrati di metano sono noti anche come “ghiaccio che brucia” in quanto assomigliano al ghiaccio ma bruciano se si avvicinano a una fiamma. Gli idrati di metano sono composti solidi che si formano a bassa temperatura e sotto elevate pressioni
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La quantità di metano intrappolata negli idrati di metano è elevata, addirittura superiore a quella di tutti i combustibili fossili (carbone, petrolio, e gas naturale) noti, messi insieme.
Gli idrati di metano sono composti solidi che si formano a bassa temperatura e sotto elevate pressioni.
Sono costituiti da una specie di gabbia contenente 46 molecole di acqua e otto molecole di metano, all’incirca 5,75 molecole di acqua per ogni molecola di metano; un metro cubo di idrato di metano contiene circa 165 metri cubi di metano. Sul pianeta si trovano depositi di idrati di metano sotto gli oceani e nei ghiacci permanenti.
Struttura degli idrati di metano: metano allo stato solido, noto anche come idrato di metano, composto da molecole di gas metano all’interno di cristalli di acqua congelata. (NOAA)
Negli anni trenta del secolo scorso si scoprì che nei metanodotti che attraversavano zone fredde si verificavano ogni tanto degli intasamenti dovuti a solidi cristallini, simili al ghiaccio; si vide così che si trattava di cristalli costituiti dalla combinazione di metano e acqua; simili “idrati di metano” erano stati scoperti come curiosità già nei primi anni dell’Ottocento.
L’approfondimento della natura degli idrati di metano ha permesso di scoprire che in natura sono molto diffusi. Il metano si forma dalla decomposizione microbiologica della materia organica depositata sul fondo degli oceani e la combinazione del metano con l’acqua si verifica quando le temperature sono basse ed è elevata la pressione della massa d’acqua sovrastante; gli idrati di metano si trovano anche nel permafrost, la parte dei ghiacciai permanenti.
C’è un enorme quantitativo di metano ghiacciato sotto la superficie dei nostri oceani. Gli oceanografi si domandano che cosa potrebbe succedere se dovesse essere improvvisamente rilasciato dagli strati più profondi. Forse tsunami, frane o il rilascio di enormi quantità di carbonio nella nostra atmosfera con effetti climatici travolgenti.
Perché il metano allo stato solido è importante?
Sembrerebbe che il metano congelato immagazzini gran parte del carbonio del nostro pianeta, probabilmente svolgendo un ruolo importante nel riciclaggio del carbonio tra la nostra atmosfera e gli esseri viventi. Se da un lato potrebbe essere una potenziale risorsa di energia dall’altro potrebbe provocare dei rischi non trascurabili per l’Uomo. È noto che le bolle di metano contenute nei sedimenti sotto l’Oceano nell’Artico, non raggiungono la superficie, di fatto fermandosi a circa 200 metri nella colonna d’acqua sopra il fondo dell’oceano. Il gas si dissolve nell’acqua prima ancora che possa raggiungere l’atmosfera.
Gli idrati di metano possono esplodere.
Una ricerca ha dimostrato che in fondo al mare ci sono dei giganteschi crateri e molti tumuli che sono state chiamate pingos. Questi pingos sono blocchi di metano idrato congelati all’interno di un reticolo di molecole d’acqua.
Quali sono le condizioni di temperatura e pressione necessarie per la formazione e la stabilità degli idrati di metano?
Gli idrati di metano si formano in condizioni di bassa temperatura (circa -15°C o inferiore) e alta pressione (20 bar o più). Questi composti cristallini sono costituiti da molecole di metano intrappolate in una struttura di acqua congelata.
Gli idrati di metano rimangono stabili a temperature inferiori a 0°C. Se la temperatura aumenta, gli idrati di metano possono iniziare a dissolversi, liberando il metano intrappolato. Questo è un rischio significativo legato ai cambiamenti climatici. Anche una riduzione della pressione può anche portare alla destabilizzazione degli idrati di metano, con conseguente rilascio di metano
Il permafrost della tundra siberiana si sta disgelando e il materiale organico ha iniziato a decomporsi.
Questa decomposizione rilascia anidride carbonica, metano e protossido di azoto, tutti potenti gas serra. Gli scienziati del clima concordano sul fatto che lo scioglimento del permafrost amplificherà gli effetti dei gas serra rilasciati dalle attività umane, che potrebbero peggiorare la quantità di riscaldamento che il pianeta sperimenta. Una serie di laghi craterici – alcuni minuscoli, altri grandi e profondi – sono stati causati da quello che è stato visto come lo scongelamento del permafrost che porta alla raccolta del metano sotto i pingos e ad una successiva esplosione che genera crateri e rilascia gas come nel caso del cratere Yamal.
Il rilascio di idrati di metano in maniera improvvisa e massiva sono quindi un’altra preoccupazione per il clima perché il loro disgelo potrebbe rilasciare violentemente molto gas serra nell’atmosfera.
Un po’ di chimica. Come si forma l’idrato di metano (clatrato di metano)
Gli idrati di metano appartengono alla categoria dei clatrati, sistemi solidi costituiti da un reticolo di composti chimici “ospitanti” che ingabbia nelle sue cavità piccole molecole “ospiti”; nel caso specifico, il reticolo è dato da un cristallo di ghiaccio, nel quale le molecole d’acqua sono unite tra loro da legami a idrogeno e nelle cui maglie sono intrappolate, senza stabilire alcun legame chimico con esse, molecole di metano, con un rapporto in peso tra le due sostanze rispettivamente dell’85 e del 15%.
Struttura dell’idrato di metano, del metano, dell’acqua e la relativa reazione.
Tali strutture, di formula CH4●6H2O e densità pari a 913 kg/m3.
Il metano incluso negli idrati viene generato dalla trasformazione della materia organica (plancton, fanghi, liquami) attraverso due tipi di processi: termogenico e biogenico. Nel primo caso, le sostanze organiche contenute nelle rocce madri vengono alterate dal progressivo aumento di temperatura che incontrano man mano che le rocce sprofondano nei bacini sedimentari; nel secondo, sono i batteri metanogeni, che agiscono all’interfaccia acqua-sedimenti, ad operare una decomposizione anaerobica della massa biologica morta.
Gli idrati di origine biogenica risultano contenere essenzialmente metano puro, mentre quelli di origine termogenica contengono anche elevati livelli di etano, propano e butano
Altamente infiammabili (si definiscono talvolta “ghiaccio che brucia”), gli idrati di metano si formano, in presenza di quantità sufficienti di acqua e gas, lì dove sussistono condizioni di bassa temperatura ed alta pressione, nelle quali l’acqua solidifica e le molecole di metano vengono compresse al punto da essere costrette a penetrare nel cristallo di ghiaccio.
Tali condizioni si hanno essenzialmente lungo i margini delle piattaforme continentali, dove maggiore è la concentrazione di sostanza organica, a profondità comprese fra i 300 e i 4.000 metri
Diagramma di stato dell’idrato di metano (Fonte Researchgate)
Depositi di Idrati di Metano nel Mondo e le Regioni più Promettenti per lo Sfruttamento
Gli idrati di metano rappresentano una risorsa energetica potenzialmente significativa per il futuro. Questi composti si formano in condizioni di alta pressione e bassa temperatura, intrappolando il metano all'interno di una struttura cristallina di ghiaccio. Oltre agli oceani e al permafrost, esistono altre zone del pianeta dove si possono trovare depositi significativi di idrati di metano.
Margini delle Piattaforme Continentali
Le piattaforme continentali rappresentano i principali luoghi di formazione degli idrati di metano. Questi depositi si trovano generalmente a profondità di oltre 300 metri sotto il livello del mare, dove la combinazione di alta pressione e bassa temperatura favorisce la stabilità degli idrati. Le piattaforme continentali dell'Atlantico, del Pacifico e dell'Artico sono particolarmente promettenti. La grande quantità di sedimenti organici in queste aree fornisce il materiale di partenza per la formazione del metano, che viene poi intrappolato sotto forma di idrati.
Regioni Polari
Oltre al permafrost, anche i ghiacci polari possono ospitare idrati di metano. Le regioni polari, come l'Artico e l'Antartico, offrono condizioni ideali per la formazione di questi composti. In particolare, il permafrost sottomarino dell'Artico contiene grandi quantità di idrati di metano. Questi depositi sono particolarmente interessanti per il loro potenziale energetico, anche se l'estrazione in queste aree presenta notevoli sfide tecnologiche e ambientali.
Zone Sottomarine Profonde
Le zone sottomarine profonde, in particolare le aree con sedimenti ricchi di materia organica, sono altrettanto promettenti. Queste aree si trovano generalmente a profondità di oltre 500 metri, dove le condizioni di pressione e temperatura sono stabili. Il Golfo del Messico, il Mare di Okhotsk e le coste del Giappone sono esempi di regioni con depositi significativi di idrati di metano. Le tecnologie di perforazione e estrazione in acque profonde sono in continua evoluzione, rendendo queste zone sempre più accessibili per lo sfruttamento energetico.
Sfide e Prospettive
Sebbene i depositi di idrati di metano offrano un enorme potenziale energetico, ci sono diverse sfide da affrontare. La sicurezza e l'impatto ambientale dell'estrazione sono preoccupazioni fondamentali. Il rilascio incontrollato di metano, un potente gas serra, potrebbe avere gravi conseguenze per il cambiamento climatico. Inoltre, le tecnologie necessarie per estrarre in modo sicuro ed efficiente il metano dai depositi di idrati sono ancora in fase di sviluppo.
Distribuzione di depositi di clatrati di metano nelle diverse aree geografiche. Fonte: Clathrate Hydrates of Natutal Gas, 2nd Ed., Marcel Dekker, New York
ocean4future.org. Un mare di metano allo stato solido sotto la superficie degli oceani potrebbe rilasciare un’enorme quantità di gas serra
Lal, Mr. (2010). Gas Hydrates.
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