Gli idrati di clatrato (Fig. 1) sono strutture a gabbia di molecole d'acqua che ospitano specie di gas ospiti. Si formano quando il gas interagisce con il ghiaccio in condizioni di alta pressione e bassa temperatura, e si pensa che influenzino la geologia superficiale e la composizione dei corpi ghiacciati nel Sistema Solare. Sebbene l'importanza dei clatrati sia stata a lungo riconosciuta, studi precedenti sulla loro formazione e proprietà fisiche hanno principalmente coinvolto calcoli termodinamici teorici per strutture prodotte da soluzioni di acqua pura. In una nuova ricerca, pubblicato in Astronomia e astrofisica , però, sono stati studiati gli idrati di anidride carbonica (CO2) clatrati prodotti da soluzioni saline deboli. Il team di ricercatori, tra cui la dottoranda Emmal Safi, ha utilizzato la linea di luce di diffrazione da polvere ad alta risoluzione (I11) presso la Diamond Light Source per condurre uno studio in situ dei clatrati che sono più rilevanti per quelli prodotti negli oceani salati delle lune ghiacciate. I risultati indicano differenze sostanziali nelle caratteristiche di formazione e nelle proprietà fisiche dei clatrati di CO2 rispetto a quelli che si formano da soluzioni di acqua pura. Le nuove scoperte possono essere utilizzate per aiutare a calibrare e informare i modelli di formazione di clatrati sulla Terra, e altri corpi planetari.

Clatrati nel sistema solare esterno

Il telerilevamento della luna di Saturno Encelado ha rivelato che sulla sua superficie sono presenti sia ghiaccio d'acqua che CO2, ed è un potenziale habitat per la vita microbica extraterrestre. Inoltre, le condizioni su questa luna, o su altri satelliti ghiacciati, possono favorire la formazione di clatrati. Infatti, il rilascio di gas (ad esempio CO2) dai presunti clatrati è stato suggerito come fonte di pennacchi di gas provenienti dalla superficie di Encelado.

La formazione dei clatrati influenza la composizione sia dell'oceano da cui si formano sia della crosta di ghiaccio che producono. Le proprietà fisiche di queste strutture sono quindi pezzi importanti nel puzzle della geologia della luna ghiacciata. idrati di clatrato, però, sono "notoriamente difficili da studiare in laboratorio perché spesso sono difficili da realizzare su richiesta", spiega il dottor Stephen Thompson, Senior Beamline Scientist per I11 e co-investigatore di questo studio. Fino ad ora, misurazioni sperimentali di tali clatrati in condizioni fisicamente rilevanti, sono quindi mancate le condizioni analoghe planetarie. Per di più, i calcoli termodinamici che vengono generalmente utilizzati per modellare le proprietà fisiche delle strutture possono essere problematici, perché non necessariamente possono essere estrapolati alle relative condizioni di pressione e temperatura.

Collaborazione di lunga data

Nella nuova ricerca, parte di un progetto di dottorato sostenuto congiuntamente da Diamond e Keele University, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica sperimentale appositamente sviluppata per misurare le proprietà fisiche degli idrati di clatrato di CO2 in una serie di condizioni rilevanti per le lune ghiacciate. Hanno fabbricato i clatrati di CO2 in laboratorio da tre soluzioni congelate di epsomite (un minerale di solfato di magnesio), con l'obiettivo di replicare le condizioni di salinità degli oceani su questi satelliti. Le misurazioni della diffrazione di raggi X da polvere di sincrotrone in situ dei clatrati sono state quindi effettuate su I11 poiché la temperatura dei campioni è stata ciclata tra 90 e 250 K, nell'intervallo di pressione di 5-20 bar. La linea di luce I11 è stata scelta per la sua alta risoluzione simultanea, fornitura di gas in loco, temperatura variabile, e capacità di misurazione rapida. I dati risultanti consentono quindi di sondare la struttura cristallina dei clatrati in funzione della temperatura, pressione, e salinità.

Il successo di questi esperimenti è "particolarmente entusiasmante per il team", dice il dottor Thompson, perché "è l'ultimo passo di una collaborazione di lunga data tra Diamond e Keele University che risale al 2010". Per esempio, l'applicazione delle celle a gas ad alta pressione e la procedura sperimentale utilizzata in questo lavoro sono il prodotto della ricerca condotta dalla dott.ssa Sarah Day durante il suo dottorato di ricerca presso la Diamond and Keele University (la dott.ssa Day è ora uno scienziato dell'I11 Senior Support e coautore di questo documento).

Ruolo della salinità

I risultati sperimentali indicano che la formazione di clatrato di CO2 si verifica a temperature più basse nelle soluzioni di epsomite rispetto agli equivalenti di ghiaccio d'acqua pura. I dati inoltre, inaspettatamente, mostrano che il polimorfo esagonale del ghiaccio è dominante durante gli esperimenti, anche se la forma cubica è termodinamicamente più stabile alle basse temperature. Il team attribuisce questo alla presenza di epsomite nelle soluzioni. I risultati rivelano inoltre che la densità dei clatrati dipende dalla pressione e dalla temperatura, e che hanno una densità maggiore rispetto alle soluzioni da cui si formano. I clatrati di CO2 affonderanno così, piuttosto che alzarsi, in un oceano salato e quindi potrebbe non contribuire direttamente alla formazione dei pennacchi di gas di Encelado.

Implicazioni e lavoro futuro

Questo lavoro evidenzia la necessità di dati sperimentali nello studio dei clatrati in condizioni fisicamente rilevanti. Tali osservazioni sono necessarie, oltre ai modelli teorici, comprendere appieno queste strutture e valutarne il potenziale sulla Terra come fonte di combustibile (es. clatrati di metano) o per il sequestro del carbonio. Come parte del loro lavoro in corso, il team condurrà presto esperimenti simili su I11 per esaminare le proprietà fisiche degli idrati di clatrato di metano formati in soluzioni di solfato di ammonio, che sono rilevanti per lo studio di Titano, La luna più grande di Saturno.