I ricercatori della NYU Tandon School of Engineering stanno utilizzando un nuovo mezzo per studiare il modo in cui il metano e l'acqua formano l'idrato di metano che consente loro di esaminare fasi distinte del processo in modo più rapido ed efficiente.
I ricercatori della NYU Tandon guidati da Ryan Hartman, un assistente professore di ingegneria biomolecolare e chimica che gestisce la chimica del flusso di Tandon con il laboratorio di microsistemi, stanno usando la microfluidica, il controllo preciso e la manipolazione dei fluidi vincolandoli a geometrie sub-millimetriche, insieme a piccoli cambiamenti di temperatura per esplorare il processo indeterminato mediante il quale il gas metano diventa un idrato solido quando esposto all'acqua.
Il lavoro ha implicazioni per l'ingegneria e la scienza del clima. Un'enorme quantità di metano è intrappolata nel permafrost e sotto il letto artico dell'oceano, gran parte di esso in uno stato di idrato di metano ghiacciato, in cui il metano è racchiuso in gabbie di molecole d'acqua. Comprendere come il metano, che assorbe 30 volte più radiazione solare dell'anidride carbonica, interagisce con l'acqua per diventare un gas idrato cristallino e, al contrario, come si dissocia al suo stato gassoso, è fondamentale per comprendere come potrebbe catalizzare, o forse lento, cambiamento climatico. Potrebbe anche portare a nuove tecnologie per la separazione dei gas, e stoccaggio efficiente e sicuro del gas naturale poiché la quantità di energia nei depositi di idrati di gas naturale è almeno il doppio di quella di tutti gli altri combustibili fossili messi insieme.
Nella ricerca che esplora come il trasferimento di calore e massa influenzi la formazione di idrati, pubblicato in Laboratorio su un chip , una rivista della Royal Society of Chemistry, il team ha stabilito un nuovo metodo per studiare la crescita dei film di idrato di metano:un reattore a microcanali raffreddato termoelettricamente progettato dal laboratorio di Hartman. Unicamente, la tecnologia consente variazioni "graduali" di temperatura, riducendo notevolmente il tempo sperimentale da ore o giorni, a minuti o addirittura secondi, consentendo un esame molto più preciso del processo attraverso tecniche spettroscopiche in situ. Grazie a questa tecnologia il team di Hartman è anche il primo in grado di misurare il grado di trasferimento di massa, che include fenomeni come la diffusione, influenza la velocità di propagazione dei cristalli.
I ricercatori generalmente concordano sul fatto che la formazione di idrati di gas inizia con la nucleazione, in cui le molecole d'acqua iniziano a formare un reticolo che intrappola le molecole "ospiti" di un gas come il metano. Cristallizzazione, in cui il processo si espande rapidamente verso l'esterno da questi semi di formazione di cristalli a strutture più grandi, come i fogli all'interfaccia tra acqua e gas. La cinetica della nucleazione e altri passaggi discreti sulla strada per la formazione di idrati sono poco compresi in parte a causa dei limiti dei reattori batch tradizionali (essenzialmente serbatoi ad alta pressione con agitatori e apparecchiature di riscaldamento o raffreddamento), in cui l'acqua viene "coperta" con gas metano superraffreddato. Tali sistemi richiedono che la temperatura limite di fase per la formazione di idrati, dove il confine è l'interfaccia tra gas metano e acqua superraffreddata, essere abbassato fino a 10 gradi Kelvin. Comunque, la nucleazione può richiedere ore o giorni in tali sistemi.
Utilizzando la nuova tecnologia, Lo studente di dottorato di Hartman Weiqi Chen e il socio postdottorato Bruno Pinho sono stati in grado di raffreddare gradualmente le molecole d'acqua di un ordine di grandezza inferiore a quanto richiesto nei sistemi batch su larga scala, raggiungere la nucleazione con incrementi di solo un grado Kelvin, in un arco di tempo molto più breve.
Nel sistema isotermico di Hartman, cicli di temperatura, in cui le temperature sperimentali si alternano tra due estremi, con velocità di raffreddamento dell'ordine dei secondi, ha permesso ai ricercatori di formare e utilizzare i nuclei abbastanza rapidamente da condurre un gran numero di test in un tempo molto più breve rispetto ai metodi tradizionali.
"La nucleazione è difficile da prevedere, " ha detto Hartman. "Può richiedere minuti o talvolta giorni nella formazione di idrati di gas. Ma poiché siamo in grado di regolare la temperatura in pochi secondi, possiamo formare cristalli di semi e utilizzare i nuclei che formiamo per formare in modo riproducibile cristalli più grandi".
La tecnologia di Hartman ha permesso al team di dimostrare che la velocità di propagazione dei cristalli dipende da una combinazione di trasferimento di calore (attraverso la convezione o il movimento del fluido, ad esempio), trasferimento di massa, e cristallizzazione intrinseca (la velocità con cui si formano i cristalli di idrati quando non sono ostacolati dal calore o dal trasferimento di massa).
"Immagina il pendolarismo da casa al lavoro utilizzando lo stesso percorso ogni giorno, "Spiegò Hartman. "Attraversi tre ponti, e a seconda del giorno, uno, Due, o tutti e tre sono congestionati. Di quanto ogni ponte ti rallenta, relativamente parlando rispetto agli altri, determina il tempo complessivo del tuo tragitto giornaliero. Nel contesto della cristallizzazione degli idrati, la congestione del traffico sul primo ponte è la resistenza al trasferimento di calore, il secondo ponte è la resistenza al trasferimento di massa, e cristallizzazione intrinseca il terzo. La velocità con cui si formano i cristalli di idrati può dipendere da tutti e tre. Quello che abbiamo fatto è scoprire un modo per misurarlo".
