Что такое горящий лед?
Гидраты метана - это своего рода лед, содержащий метан, который образуется на определенной глубине под водой или залегает в вечной мерзлоте. Они также могут образовываться в трубопроводах, транспортирующих нефть и газ, что приводит к засорению. Однако изучение гидратов метана практически невозможно, так как образцы очень трудно достать, и сами образцы крайне нестабильны в лаборатории.
В настоящее время группа ученых из Норвегии, Китая и Нидерландов продемонстрировала, как размер зерен молекул, составляющих естественную структуру гидратов метана, определяет их поведение, если они нагружены весом или повреждены.
Это может иметь важные последствия для всего - от климатологии до использования в качестве будущего источника энергии, сказал Чжилианг Чжан, профессор Норвежского университета науки и техники и основатель Наномеханической лаборатории университета.
Плохо понимаемый и нестабильный.
Гидраты метана известны с 1930-х годов, когда газовые компании обнаружили, что их трубопроводы иногда засоряются своего рода льдом, состоящим из воды и метана. Позднее гидраты метана были обнаружены в вечной мерзлоте в 1960-х годах и в океанах, обычно на краях континентального шельфа, но только при определенных океанических давлениях и температурах. Считается, что они также встречаются на других планетах, включая Марс.
Когда гидраты метана "тают", они высвобождают метан, удерживаемый внутри льда, но поскольку метан сначала оказался под давлением, когда образовался гидрат, один кубометр твердого гидрата метана высвободит 160 кубометров газа метана. Это делает их либо мощным источником энергии, либо, если они тают по мере таяния вечной мерзлоты, мощным источником метана, который будет выступать в качестве парникового газа.
Однако добыча гидратов метана в качестве источника энергии - вариант, который в настоящее время изучается, в частности, Японией, - технически сложен. Их расположение на мягких краях континентального шельфа, нагруженных отложениями, затрудняет их добычу, а при нарушении их кристаллической структуры может внезапно распасться и высвободить метан, удерживаемый внутри.
Этот механизм был предложен в качестве одной из причин столь разрушительного оползня, известного человечеству, - оползень Сторегга. Оползень Сторегга произошел около 8000 лет назад в водах у западного побережья южной Норвегии.
Волны - всего их было три, - вызвали шквал воды через Северное море и Норвежское море. Свидетельства прохождения волны цунами в Шотландии, которая показывает, что волна достигла высоты 3-6 метров в этом регионе. Одна из гипотез об этом оползне заключалась в том, что землетрясение вызвало нестабильность гидратов метана в регионе и взрывное высвобождение их газа.
Компьютерное моделирование демонстрирует удивительное поведение.
Исследователи из Наномеханической лаборатории НТНУ и химического факультета университета и их сотрудники в Китае и Нидерландах заинтересованы в понимании взаимосвязи между молекулярными структурами и механической стабильностью материалов. Гидраты метана с их решетчатой структурой льда, содержащей удерживаемые молекулы метана, представляют собой интригующую трехмерную и практическую проблему с этой точки зрения.
Исследователи построили свои компьютерные модели с использованием общих молекулярных моделей льда/воды и метана, расположенных в виде монокристаллических или поликристаллических зерен, и смоделировали эффект приложения сил для сбора зерна.
Максимальная установленная мощность
Моделируемые гидратные структуры подвергались двум различным видам напряжений: растягивающему напряжению или силе, которую они испытывали бы при растяжении, и сжимающему напряжению, или силе, которую они испытывали бы, если бы их раздавил вес.
Моделирование показало, что размер кристаллов - то, что исследователи называют размером зерен, составляющих структуру гидрата,- имеет много общего с тем, как структура реагирует на оба вида напряжений.
При моделировании растягивающих и сжимающих напряжений удивительно, что чем меньше размер зерна, тем сильнее становились гидраты, способные выдерживать как сжатие, так и растягивающие напряжения, но только до тех пор, пока они не достигли определенного размера зерна. Если исследователи проводили моделирование размеров зерен меньше, чем указано в качестве точки разворота, гидрат фактически стал слабее.
Максимальная вместимость гидратов появляется, когда размер зерна составляет от 15 до 20 нм. Это похоже на поведение поликристаллических металлов, таких как медь. Однако это первый случай, когда исследователи увидели подобное поведение в метановых гидратах в качестве материала. Зависимая от размера зерна прочность и максимальная мощность, которую исследователи обнаружили, могут быть использованы для прогнозирования и предотвращения разрушения гидратов в будущем.
Такое неожиданное быстрое ослабление кристаллической структуры по мере уменьшения размера зерна имеет важное значение для любых работ в местах, где встречаются гидраты.
