Den brennende isens hemmeligheter
Metanhydrater er en potensiell energikilde. De er også en kilde til metan – en drivhusgass som er 20 ganger verre enn CO2. Tør vi røre dem?
METAN-IS: Tidenes største, kjente ras, Storegga-raset, kan ha blitt utløst da metanhydratene i Nordsjøen ble forstyrret for 8000 år siden. Det skapte en tsunami i nord-Europa. Dersom metanhydratene tukles med, risikerer vi dessuten å slippe ut store mengder klimagasser. Men de gir oss også mange muligheter.
Klimamøtet i Paris
- Nesten 200 regjeringer møtes i desember i Paris med mål om å undertegne en global klimaavtale som skal begrense klodens oppvarming til 2 grader.
- NTNU og SINTEF forsker på klima fra mange vinkler. Blant annet bidrar vi med å utvikle teknologier som kan hjelpe til å redusere verdens utslipp. I tiden framover vil du på Gemini.no finne ekstra mange artikler om klima.
Metanhydrater er en type is som inneholder metan. Noen kaller dem «metanis». De formes langt under havoverflaten eller finnes begravd i permafrost.
De kan også dannes i rørledninger som transporterer olje og gass, som fører til tilstopping. Men hva skjer hvis vi rører dem?
Metanhydrater er nesten umulig å studere direkte. Det er svært vanskelig å samle inn prøver, og prøvene selv er svært ustabile i laboratoriet.
Men en superdatamaskin og et tverrfaglig forskningsteam avdekker viktige detaljer om metanhydratenes mekaniske stabilitet hvis de blir forstyrret av menneskeskapte eller naturlige krefter.
Viktige følger
Et team av forskere fra Norge, Kina og Nederland har nå vist hvordan størrelsen på molekylene som utgjør metanhydratene bestemmer hvordan de oppfører seg når de forstyrres.
– Det kan ha viktige følger for alt fra klimaforskningen til bruk av metan som en fremtidig energikilde, sier Zhiliang Zhang, professor ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU).
Han er også og grunnlegger av universitetets Nanomechanical Lab.
– Hvis vi har den grunnleggende kunnskapen om de mekaniske egenskapene til metanhydrater, kan vi bruke denne informasjonen til å behandle dem rett, sier Zhang. – Hvordan metanhydrater oppfører seg kan ha en stor innvirkning på sikkerhet, miljø og klimaendringer.
Dårlig forstått og ustabile
Metanhydrater kan finnes på Mars ved de polare iskappene. I så fall kan det være mulig å utvinne dem for å gi strøm til bemannede ferder til Mars. Her tar den ubemannede Curiosity Mars-roveren en selfie på Mount Sharp på Mars. Foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Metanhydrater har vært kjent siden 1930-tallet, da gasselskaper fant ut at rørledningene deres noen ganger ble tilstoppet av en type is som bestod av vann og metan.
Metanhydrater ble senere funnet i permafrost i 1960. De ble også funnet i havene, ofte på kantene av kontinentalsoklene, men bare under visse trykk og temperaturer. Forskere tror også at de finnes på andre planeter, inkludert Mars.
Når metanhydrater smelter, slipper de ut metan som er fanget inne i isen. Fordi metanet er fanget i isen under stort trykk, kan en kubikkmeter fast metanhydrat frigi hele 160 kubikkmeter metangass.
Det gjør dem til en potent energikilde. Men de vil også fungere som en drivhusgass, noe som kan få store følger dersom permafrosten smelter.
Japan har undersøkt muligheten for å bruke metanhydrater som energikilde, men det har vist seg å være teknisk vanskelig. I havet finnes de gjerne på ustabil havbunn på kanten av kontinentalsoklene, og de ustabile krystallstrukturene i metanhydratene kan plutselig slippe løs metanet dersom metanhydratene blir forstyrret.
Slike forstyrrelser kan ligge bak det største skredet vi kjenner til, nemlig Storegga-raset. Dette raset fant sted for omtrent 8000 år siden på havbunnen utenfor vestkysten av Sør-Norge.
De tre rasene som utgjorde Storegga-raset sendte en vegg av vann brølende ut over Nordsjøen og Norskehavet. Forskere har funnet bevis for en tsunamibølger på 3 til 6 meter i Skottland. En hypotese er at et jordskjelv gjorde metanhydrater på havbunnen ustabile, slik at mye gass slapp ut raskt.
Datasimuleringer overrasker
Forskere ved NTNUs Nanomechanical Lab, fra Institutt for kjemi og samarbeidspartnere i Kina og Nederland prøver å forstå forholdet mellom de molekylære strukturene og den mekaniske stabiliteten av materialene. Samarbeidspartnerne er Xiamen University og China University of Geosciences, foruten Delft University of Technology i Nederland.
Metanhydrater har en gitterstruktur der vannet holder metanmolekyler fanget. Det gir forskerne et tredimensjonalt og praktisk problem.
I en artikkel publisert i av Nature Communications 2. november i år beskriver Zhang og hans kolleger hvordan de brukte en datasimulering av to typer metanhydrater.
Monokrystallinske hydrater og polykrystallinske hydrater ble undersøkt for å se hva som ville skje hvis de ble komprimert eller hvis trykket på dem plutselig lettet.
Forskerne bygget datamodeller ved å bruke vanlige molekylære modeller for is og metan, enten som monokrystallinske eller polykrystallinske strukturer. De simulerte deretter effekten av de ulike påvirkningene. Resultatene overrasket.
- Les også: Bioøkonomien kommer!
Fant maksimal kapasitet
De simulerte hydratstrukturene ble utsatt for to forskjellige typer stress: strekkspenning, eller de kreftene som de ville bli utsatt for om de ble dratt fra hverandre, og trykkspenning, eller de kreftene de ville utsettes for ved økt trykk.
Fra venstre Bjørn Skallerud og Zhiliang Zhang, begge professorer ved NTNUs Institutt for konstruksjonsteknikk, Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi; Signe Kjelstrup, professor ved NTNUs Institutt for kjemi og Jianying He, førsteamanuensis ved NTNUs Institutt for konstruksjonsteknikk. De har vært med i et tverrfaglig team som har studert de mekaniske egenskapene til metanhydrater. De fikk med seg kolleger fra Xiamen University og China University of Geosciences, foruten Delft University of Technology i Nederland. Foto: Nancy Bazilchuk, NTNU
Simuleringene viste at størrelsen på krystallene hadde mye å si for hvordan strukturen reagerte på begge de to påkjenningene.
I begge tilfeller viste det seg at jo mindre krystallstrukturene var, dess sterkere ble de og jo mer tålte de av påkjenningene. Men bare til en viss grense. Hvis forskerne gjennomførte simuleringer på krystaller mindre enn vendepunktet, ble hydratet svakere. Dette overrasket forskerne.
Hydratene ser ut til å være sterkest når krystallene er rundt 15 til 20 nanometer store. Dette ligner oppførselen til polykrystallinske metaller, slik som kobber. Men dette er første gang at forskere har sett denne typen oppførsel i metanhydrater.
Dette kan hjelpe forskerne som vil forutsi og forhindre at metanhydrater kollapser.
Saken fortsetter under sitatet.
Hydratene ser ut til å være sterkest når krystallene er rundt 15 til 20 nanometer store. Dette ligner oppførselen til polykrystallinske metaller, slik som kobber. Men dette er første gang at forskere har sett denne typen oppførsel i metanhydrater.
Ustabilitet kan utløses
Den uventet raske svekkelsen av de minste krystallstrukturene har viktige følger for alle som arbeider med problemstillinger i områder hvor hydrater er funnet.
Forskerne rapporterte at splittingen av metanhydrater kan utløses av for eksempel jordskjelv, stormer, svingninger i havnivået. Men også av menneskeskapte forstyrrelser som brønnboring og gassproduksjon fra hydratreservoarer.
– Dette har en innvirkning på disse store spørsmålene, sier Zhang. – Her har vi tatt et skritt fremover, men selvfølgelig er det mye mer arbeid som gjenstår.
Zhang sier forskerne planlegger å fortsette samarbeidet. De jobber for tiden med å sikre støtte fra Forskningsrådet.
Referanse: Jianyang Wu, Fulong Ning, Thuat T. Trinh, Signe Kjelstrup, Thijs J.H. Vlugt, Jianying He, Bjørn H. Skallerud and Zhiliang Zhang. Mechanical instability of monocrystalline and polycrystalline methane hydrates. Nature Communications. DOI:10.1038/NCOMMS9743
