Di per sé, il metano non è molto eccitante. È un gas incolore, inodore e il membro più semplice della serie degli alcani degli idrocarburi. La sua più grande pretesa di fama è che, in quanto principale costituente del gas naturale, è utile come fonte di energia.
Di recente, tuttavia, i geologi hanno scoperto un tipo di metano che ha stuzzicato la loro curiosità. Parte del suo carattere insolito è il modo in cui esiste nel suo stato naturale, intrappolato all'interno di una gabbia di ghiaccio. Ancora più intrigante è quanto di questo metano congelato sembri essere rinchiuso nella crosta terrestre. Alcune stime indicano che fino a 700 quadrilioni (700 × 10 15 ) piedi cubi (20 quadrilioni di metri cubi) di metano sono racchiusi nel ghiaccio e intrappolati nei sedimenti dei fondali marini di tutto il mondo [fonte:Tarbuck]. È il doppio del carbonio rispetto agli altri combustibili fossili della Terra messi insieme.
La scoperta di questo nuovo tipo di metano, quello che gli scienziati chiamano idrato di metano , ha portato a due importanti domande. Il primo è pragmatico:brucerà come il normale metano? Si scopre che lo farà. Se prendi un pezzo di idrato di metano - sembra neve compatta - e tocchi un fiammifero acceso, il campione brucerà con una fiamma rossastra. E se è così, potrebbe essere utilizzato per riscaldare case, rifornire di carburante le auto e in generale alimentare nazioni affamate di energia come Giappone, Stati Uniti, India e Cina. Dati recenti suggeriscono che solo l'1% dei depositi di idrato di metano della Terra potrebbe produrre abbastanza gas naturale per soddisfare il fabbisogno energetico dell'America per 170.000 anni [fonte:Stone].
La seconda domanda è in parte una considerazione etica:come comunità globale che cerca con fervore di sviluppare energia pulita e rinnovabile, dovremmo abbracciare uno dei combustibili fossili che ci ha messo nei guai in primo luogo? La scienza non può rispondere a questa domanda. Può, tuttavia, rivelare le sfide e i rischi che devono affrontare i paesi che sperano di trarre vantaggio dall'idrato di metano. Una delle sfide più significative è trovare modi efficienti per estrarre il carburante congelato. Più preoccupanti sono le potenziali catastrofi, che vanno da massicce frane sottomarine a un effetto serra incontrollato, legate all'estrazione di metano.
In questo articolo, esploreremo tutti i lati positivi e negativi dell'idrato di metano. Vedremo la sua storia relativamente breve e come si inserisce in alcuni possibili scenari futuri. E, naturalmente, esamineremo la scienza di base dietro questo cosiddetto "ghiaccio infiammabile".
Cominciamo con un po' di chimica.
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Frozen fuel è il nome accattivante di una famiglia di sostanze note come idrati di gas . Il gas in questione è il gas naturale, una miscela di idrocarburi, come metano, propano, butano e pentano. Di questi, il metano è di gran lunga il componente più comune e uno dei composti più studiati in chimica.
Come tutti gli idrocarburi, il metano contiene solo due elementi:carbonio e idrogeno. È un esempio di idrocarburo saturo , ovvero una molecola composta interamente da legami singoli e quindi il numero massimo di atomi di idrogeno consentito. La formula generale per gli idrocarburi saturi è Cn H2n+2 . Il metano ha un solo atomo di carbonio, quindi la sua formula chimica è CH4 . I chimici descrivono questa forma come un tetraedro.
Il metano è un gas combustibile incolore, inodore e prodotto dalla decomposizione batterica di materia vegetale e animale. Si forma in un processo condiviso da tutti i combustibili fossili. In primo luogo, le piante e gli animali marini muoiono e cadono sul fondo del mare. Successivamente, fango e altri sedimenti del fondale marino coprono gli organismi in decomposizione. I sedimenti esercitano una forte pressione sulla materia organica e iniziano a comprimerla. Questa compressione, unita alle alte temperature, rompe i legami carboniosi nella materia organica, trasformandola in petrolio e gas naturale.
Generalmente, questo metano - quello che i geologi descrivono come metano "convenzionale" - si trova sotto la superficie terrestre. Per arrivarci, i lavoratori devono perforare roccia e sedimenti e attingere ai depositi di metano per rilasciare il gas. Quindi lo pompano in superficie, dove viene trasportato attraverso i tubi in tutto il paese.
Il metano può anche formarsi in modo non convenzionale se i sedimenti che lo producono si trovano a circa 500 metri sotto la superficie dell'oceano. Le temperature prossime allo zero e l'alta pressione di queste condizioni fanno sì che il metano venga racchiuso nel ghiaccio. Il metano non si lega chimicamente con l'acqua. Invece, ogni molecola di metano tetraedrica si trova all'interno di un guscio cristallino fatto di ghiaccio. Questa sostanza unica è nota come idrato di metano , e non appena raggiunge temperature più calde e pressioni più basse, il ghiaccio si scioglie, lasciando dietro di sé puro metano.
I geologi hanno scoperto l'idrato di metano presente in natura solo di recente, ma i chimici lo sanno da anni, come vedremo nella prossima sezione.
Composti ClatratiL'idrato di metano è un clatrato , una sostanza chimica costituita da un composto annidato dentro un altro. La parola deriva dal latino clatratus , che significa "barre" o "reticolo". Un composto funge da host, l'altro da ospite. Nel caso del metano idrato, l'acqua è l'ospite e il metano è l'ospite. Per questo motivo, i chimici a volte si riferiscono ai clatrati come a complessi ospite-ospite .
La storia degli idrati di gas può essere fatta risalire a Humphrey Davy, un chimico della Cornovaglia, in Inghilterra, che identificò il cloro come elemento nel 1810.
Davy e il suo assistente, Michael Faraday, continuarono a lavorare con il cloro per tutto il 1800, mescolando il gas verde con l'acqua e raffreddando la miscela a basse temperature.
È molto probabile che Davy abbia osservato lo strano solido che è risultato quando gli atomi di cloro sono stati racchiusi in cristalli di ghiaccio, ma Faraday ottiene il merito ufficiale della scoperta. Nel 1823, Faraday pubblicò un rapporto che descriveva la strana sostanza e la chiamò idrato di clatrato di cloro. Furono presto scoperti altri tipi di clatrati, ciascuno dei quali coinvolgeva un composto ospite rinchiuso all'interno della struttura reticolare di un ospite, ma rimasero una curiosità di laboratorio.
Poi, negli anni '30, i minatori di gas naturale iniziarono a lamentarsi di un materiale simile al ghiaccio che ostruiva le tubazioni esposte a basse temperature. Gli scienziati hanno stabilito che questo materiale non era ghiaccio puro, ma ghiaccio avvolto attorno al metano. Non hanno perso tempo a cercare di trovare modi per prevenire la formazione di idrati e si sono rivolti principalmente a sostanze chimiche, come il metanolo o il glicole monoetilenico. Da allora, le compagnie minerarie hanno aggiunto questi materiali ai loro gasdotti per inibire la formazione di idrati.
Negli anni '60, gli scienziati scoprirono che l'idrato di metano, o "gas naturale solido", esisteva nel giacimento di gas di Messoyakha nella Siberia occidentale. Ciò era significativo perché gli idrati di gas presenti in natura non erano mai stati trovati prima. Geologi e chimici arrivarono nel vasto bacino e iniziarono a studiare le condizioni in cui si stavano formando gli idrati. Hanno scoperto che i sedimenti sub-permafrost erano ricchi di idrati e hanno iniziato a cercare depositi simili in altre regioni ad alta latitudine. Presto, un altro team di ricercatori ha trovato idrato di metano nei sedimenti sepolti in profondità al di sotto del versante nord dell'Alaska.
Sulla base di questi primi risultati, tra il 1982 e il 1992 l'US Geological Survey (USGS) e il Department of Energy National Energy Technology Laboratory hanno condotto ricerche approfondite, rivelando che i depositi di idrato di metano possono essere trovati anche nei sedimenti offshore. Improvvisamente, quella che un tempo era stata una curiosità e un fastidio industriale sembrava potesse essere una risorsa significativa. A metà degli anni '90, il Giappone e l'India hanno preso l'iniziativa nella ricerca sull'idrato di metano, con l'obiettivo di trovare più depositi e sviluppare modi per estrarre economicamente il metano intrappolato. Da allora gli scienziati hanno scoperto depositi di idrato di metano in numerose località, tra cui il delta del fiume Mackenzie in Canada e la valle di Nankai al largo delle coste del Giappone.
Successivamente, considereremo l'impatto che l'idrato di metano potrebbe avere sull'approvvigionamento energetico mondiale.
Una volta che gli scienziati hanno iniziato a cercare depositi di idrato di metano, non sono rimasti delusi. Li hanno trovati sotto il permafrost artico e sotto il fondale marino, specialmente nelle aree in cui una placca tettonica scivola sull'altra. Queste regioni sono conosciute come zone di subduzione perché il bordo di un piatto si muove sotto l'altro. Ad esempio, al largo della costa di Washington e dell'Oregon, la placca Juan de Fuca sta scivolando sotto la placca nordamericana. Come un pezzo di legno che viene trascinato sulla lama di una pialla, i sedimenti, compresi gli idrati, della placca Juan de Fuca vengono rimossi dalla crosta rocciosa della placca nordamericana. Questo crea una cresta di idrati che corre parallela alla costa.
Depositi di idrati sono stati trovati anche nelle regioni dove si incontrano grandi correnti oceaniche. Blake Ridge è una formazione situata al largo della costa della Carolina del Sud, in acque che vanno da 6.562 a 15.748 piedi (da 2.000 a 4.800 metri) di profondità. I geologi ritengono che la cresta si sia formata durante l'epoca dell'Oligocene, da circa 33,7 a 23,8 milioni di anni fa. Il mare della Groenlandia si è aperto durante questo periodo, consentendo a enormi quantità di acqua fredda e densa di fluire a sud lungo la costa atlantica. Mentre quest'acqua fredda scorreva a capofitto nell'acqua calda trasportata verso nord dalla Corrente del Golfo, le correnti rallentarono e fecero cadere grandi quantità di sedimenti. Il materiale organico sepolto in questi sedimenti alla fine ha dato origine a una grande quantità di idrato di metano.
Quanto di questo carburante congelato esiste a Blake Ridge e in altri siti in tutto il mondo? Alcune stime collocano la quantità di metano rinchiusa negli idrati da 100.000 trilioni a 300.000.000 di piedi cubi (da 2.832 trilioni a 8.495.054 trilioni di metri cubi). Confrontalo con i 13.000 trilioni di piedi cubi (368 trilioni di metri cubi) di riserve di gas naturale convenzionali rimanenti sul pianeta e puoi capire perché le mascelle nella comunità scientifica sono cadute [fonte:Collett].
Naturalmente, trovare i depositi di idrato è una cosa. Come vedremo nella prossima sezione, tirarli fuori - e farlo in sicurezza - è un'altra cosa.
Le potenziali ricompense del rilascio di metano dai giacimenti di idrati di gas devono essere bilanciate con i rischi. E i rischi sono notevoli. Cominciamo innanzitutto con le sfide che devono affrontare le compagnie minerarie e i loro lavoratori. La maggior parte dei depositi di idrato di metano si trovano nei sedimenti del fondale marino. Ciò significa che le piattaforme di perforazione devono essere in grado di raggiungere più di 500 metri d'acqua e poi, poiché gli idrati si trovano generalmente molto sottoterra, altre migliaia di piedi prima che possano iniziare l'estrazione. Hydrates also tend to form along the lower margins of continental slopes, where the seabed falls away from the relatively shallow shelf toward the abyss. The roughly sloping seafloor makes it difficult to run pipeline.
Even if you can situate a rig safely, methane hydrate is unstable once it's removed from the high pressures and low temperatures of the deep sea. Methane begins to escape even as it's being transported to the surface. Unless there's a way to prevent this leakage of natural gas, extraction won't be efficient. It will be a bit like hauling up well water using a pail riddled with holes.
Believe it or not, this leakage may be the least of the worries. Many geologists suspect that gas hydrates play an important role in stabilizing the seafloor. Drilling in these oceanic deposits could destabilize the seabed, causing vast swaths of sediment to slide for miles down the continental slope. Evidence suggests that such underwater landslides have occurred in the past (see sidebar), with devastating consequences. The movement of so much sediment would certainly trigger massive tsunamis similar to those seen in the Indian Ocean tsunami of December 2004.
But perhaps the biggest concern is how methane hydrate mining could affect global warming. Scientists already know that hydrate deposits naturally release small amounts of methane. The gas works itself skyward -- either bubbling up through permafrost or ocean water -- until it's released into the atmosphere. Once methane is in the atmosphere, it becomes a greenhouse gas even more efficient than carbon dioxide at trapping solar radiation. Some experts fear that drilling in hydrate deposits could cause catastrophic releases of methane that would greatly accelerate global warming.
Does that make methane from hydrate fields off-limits? This is the question scientists from all over the world are trying to answer.
Moving MountainsOne of the largest landslides in history didn't occur on land, but underwater, just off the coast of Norway. It also didn't occur in recent history, but in the Holocene epoch, about 8,000 years ago. Known as the Storegga Submarine Landslide, the event caused massive amounts of sediments to slide about 497 miles (800 kilometers) down the continental slope. This in turn triggered a mega-tsunami, perhaps 82 feet (25 meters) high, that struck Norway and Scotland.
In 1998, Russian researchers discovered an unstable hydrate field near the site of the Storegga slide. Now scientists believe that a rapid decomposition of hydrates, related to temperature and pressure changes coming at the end of the last ice age, destabilized the sediments and caused the landslide.
