Clatratos hidratados (Fig. 1) são estruturas semelhantes a gaiolas de moléculas de água que abrigam espécies de gases hóspedes. Eles se formam quando o gás interage com o gelo em condições de alta pressão e baixa temperatura, e acredita-se que influenciem a geologia da superfície e a composição dos corpos gelados do Sistema Solar. Embora a importância dos clatratos tenha sido reconhecida há muito tempo, estudos anteriores de sua formação e propriedades físicas envolveram principalmente cálculos termodinâmicos teóricos para estruturas produzidas a partir de soluções de água pura. Em uma nova pesquisa, publicado em Astronomia e Astrofísica , Contudo, Clatratos hidratos de dióxido de carbono (CO2) produzidos a partir de soluções salinas fracas foram investigados. A equipe de pesquisadores, incluindo a estudante de doutorado, Sra. Emmal Safi, usou a linha de luz de Difração de Pó de Alta Resolução (I11) na Diamond Light Source para conduzir um estudo in situ de clatratos que são mais relevantes para aqueles produzidos nos oceanos salgados de luas geladas. Os resultados indicam diferenças substanciais nas características de formação e propriedades físicas de clatratos de CO2 em comparação com aqueles que se formam a partir de soluções de água pura. As novas descobertas podem ser usadas para ajudar a calibrar e informar modelos de formação de clatratos na Terra, e outros corpos planetários.

Clatratos no sistema solar externo

O sensoriamento remoto da lua Enceladus de Saturno revelou que tanto gelo de água quanto CO2 estão presentes em sua superfície, e é um habitat potencial para vida microbiana extraterrestre. Além disso, as condições nesta lua - ou em outros satélites gelados - podem promover a formação de clatratos. De fato, a liberação de gases (por exemplo, CO2) dos clatratos putativos foi sugerida como a fonte de plumas de gás que emanam da superfície de Enceladus.

A formação de clatratos influencia a composição do oceano a partir do qual eles se formam e da crosta de gelo que eles produzem. As propriedades físicas dessas estruturas são, portanto, peças importantes no quebra-cabeça da geologia da lua gelada. Clatrato hidratado, Contudo, são "notoriamente difíceis de estudar em laboratório porque muitas vezes são difíceis de fazer sob demanda", explica o Dr. Stephen Thompson, Cientista sênior da Beamline para I11 e co-investigador deste estudo. Até agora, medições experimentais de tais clatratos sob fisicamente relevantes, portanto, faltam condições analógicas planetárias. Além disso, os cálculos termodinâmicos que geralmente são usados ​​para modelar as propriedades físicas das estruturas podem ser problemáticos, porque eles não podem necessariamente ser extrapolados para as condições relevantes de pressão e temperatura.

Colaboração de longa data

Na nova pesquisa, parte de um projeto de doutorado apoiado conjuntamente por Diamond e Keele University, os cientistas usaram uma técnica experimental especialmente desenvolvida para medir as propriedades físicas dos clatratos hidratados de CO2 sob uma variedade de condições relevantes para luas geladas. Eles fabricaram os clatratos de CO2 em laboratório a partir de três soluções congeladas de epsomita (um mineral de sulfato de magnésio), com o objetivo de replicar as condições de salinidade dos oceanos nesses satélites. Medições de difração de pó de raios-X síncrotron in situ dos clatratos foram feitas em I11 conforme a temperatura das amostras era alternada entre 90 e 250 K, na faixa de pressão de 5–20 bar. A linha de luz I11 foi escolhida por causa de sua alta resolução simultânea, entrega de gás in situ, temperatura variável, e capacidades de medição rápida. Os dados resultantes permitem, assim, que a estrutura cristalina dos clatratos seja sondada em função da temperatura, pressão, e salinidade.

O sucesso dessas experiências é "particularmente emocionante para a equipe", diz o Dr. Thompson, porque "é o último passo em uma colaboração de longa data entre Diamond e Keele University que remonta a 2010". Por exemplo, a aplicação das células de gás de alta pressão e o procedimento experimental usado neste trabalho são o produto de pesquisas conduzidas pela Dra. Sarah Day durante seu PhD na Diamond and Keele University (a Dra. Day é agora uma cientista Sênior de Suporte I11 e co-autora deste artigo).

Papel da salinidade

Os resultados experimentais indicam que a formação de clatrato de CO2 ocorre em temperaturas mais baixas nas soluções de epsomita do que em equivalentes de gelo de água pura. Os dados também, inesperadamente, mostram que o polimorfo hexagonal do gelo é dominante ao longo dos experimentos, mesmo que a forma cúbica seja mais estável termodinamicamente em baixas temperaturas. A equipe atribui isso à presença do epsomite nas soluções. Os resultados revelam ainda que a densidade dos clatratos é dependente da pressão e da temperatura, e que eles têm uma densidade mais alta do que as soluções das quais eles se formam. Os clatratos de CO2 irão, assim, afundar, ao invés de subir, em um oceano salgado e, portanto, pode não contribuir diretamente para a formação das plumas de gás de Enceladus.

Implicações e trabalho futuro

Este trabalho destaca a necessidade de dados experimentais no estudo de clatratos em condições fisicamente relevantes. Essas observações são necessárias, além de modelos teóricos, compreender totalmente essas estruturas e avaliar seu potencial na Terra como fonte de combustível (por exemplo, clatratos de metano) ou para sequestro de carbono. Como parte de seu trabalho contínuo, a equipe em breve estará conduzindo experimentos semelhantes em I11 para examinar as propriedades físicas dos hidratos de clatrato de metano formados em soluções de sulfato de amônio, que são relevantes para o estudo de Titã, A maior lua de Saturno.