Por si só, o metano não é muito excitante. É um gás incolor e inodoro e o membro mais simples da série alcano de hidrocarbonetos. Sua maior fama é que, como principal constituinte do gás natural, é útil como fonte de energia.

Recentemente, no entanto, os geólogos descobriram um tipo de metano que despertou sua curiosidade. Parte de seu caráter incomum é como ele existe em seu estado natural – preso dentro de uma gaiola de gelo. Ainda mais intrigante é quanto desse metano congelado parece estar trancado na crosta terrestre. Algumas estimativas indicam que até 700 quadrilhões (700 × 10 ¹⁵ ) pés cúbicos (20 quadrilhões de metros cúbicos) de metano estão envoltos em gelo e presos em sedimentos do fundo do mar em todo o mundo [fonte:Tarbuck]. Isso é duas vezes mais carbono do que os outros combustíveis fósseis da Terra combinados.



A descoberta deste novo tipo de metano, que os cientistas chamam de hidrato de metano , levou a duas questões importantes. A primeira é pragmática:queimará como o metano comum? Acontece que vai. Se você pegar um pedaço de hidrato de metano - parece neve compactada - e tocar um fósforo aceso nele, a amostra queimará com uma chama avermelhada. E se for esse o caso, poderia ser usado para aquecer casas, abastecer carros e geralmente abastecer países com fome de energia, como Japão, Estados Unidos, Índia e China. Dados recentes sugerem que apenas 1% dos depósitos de hidrato de metano da Terra poderiam produzir gás natural suficiente para atender às necessidades de energia dos Estados Unidos por 170.000 anos [fonte:Stone].

A segunda questão é, em parte, uma consideração ética:deveríamos, como comunidade global que tenta fervorosamente desenvolver energia limpa e renovável, adotar um dos combustíveis fósseis que nos colocou em apuros em primeiro lugar? A ciência não pode responder a essa pergunta. Pode, no entanto, revelar os desafios e riscos que enfrentam os países que esperam tirar proveito do hidrato de metano. Um dos desafios mais significativos é encontrar maneiras eficientes de extrair o combustível congelado. Mais preocupantes são as catástrofes em potencial – que vão desde enormes deslizamentos de terra subaquáticos a um efeito estufa descontrolado – relacionadas à mineração de metano.

Neste artigo, exploraremos todos os pontos positivos e negativos do hidrato de metano. Veremos sua história relativamente breve, bem como como ela se encaixa em alguns possíveis cenários futuros. E, claro, examinaremos a ciência básica por trás desse chamado "gelo inflamável".

Vamos começar com alguma química.


Conteúdo

1. Fogo e gelo:a química do hidrato de metano
2. Uma breve história do hidrato de metano
3. O potencial do combustível congelado
4. O arriscado negócio da mineração de hidrato de metano
5. O futuro do combustível congelado

Fogo e gelo:a química do hidrato de metano

Combustível congelado é o nome cativante para uma família de substâncias conhecidas como hidratos de gás . O gás em questão é o gás natural, uma mistura de hidrocarbonetos, como metano, propano, butano e pentano. Destes, o metano é de longe o componente mais comum e um dos compostos mais estudados em química.

Como todos os hidrocarbonetos, o metano contém apenas dois elementos - carbono e hidrogênio. É um exemplo de um hidrocarboneto saturado , ou uma molécula composta inteiramente de ligações simples e, portanto, o número máximo de átomos de hidrogênio permitido. A fórmula geral para hidrocarbonetos saturados é C_n H_2n+2 . O metano tem apenas um átomo de carbono, então sua fórmula química é CH₄ . Os químicos descrevem essa forma como um tetraedro.



O metano é um gás combustível incolor, inodoro e produzido pela decomposição bacteriana de matéria vegetal e animal. Ele se forma em um processo compartilhado por todos os combustíveis fósseis. Primeiro, plantas e animais marinhos morrem e caem no fundo do mar. Em seguida, lama e outros sedimentos do fundo do mar cobrem os organismos em decomposição. Os sedimentos exercem muita pressão sobre a matéria orgânica e começam a comprimi-la. Essa compressão, aliada às altas temperaturas, quebra as ligações de carbono da matéria orgânica, transformando-a em petróleo e gás natural.

Geralmente, esse metano - que os geólogos descrevem como metano "convencional" - está localizado abaixo da superfície da Terra. Para chegar lá, os trabalhadores devem perfurar rochas e sedimentos e explorar os depósitos de metano para liberar o gás. Em seguida, eles o bombeiam para a superfície, onde é transportado por meio de canos por todo o país.

O metano também pode se formar de forma não convencional se os sedimentos que o produzem estiverem localizados a cerca de 500 metros abaixo da superfície do oceano. As temperaturas quase congelantes e a alta pressão dessas condições fazem com que o metano fique envolto em gelo. O metano não se liga quimicamente à água. Em vez disso, cada molécula tetraédrica de metano fica dentro de uma concha cristalina feita de gelo. Esta substância única é conhecida como hidrato de metano , e assim que atinge temperaturas mais quentes e pressões mais baixas, o gelo derrete, deixando para trás metano puro.

Os geólogos descobriram o hidrato de metano de ocorrência natural apenas recentemente, mas os químicos o conhecem há anos, como veremos na próxima seção.
Compostos de Clatrato
O hidrato de metano é um clatrato , uma substância química feita de um composto aninhado dentro de outro. A palavra vem do latim clatratus , que significa "barras" ou "rede". Um composto serve como anfitrião, o outro como hóspede. No caso do hidrato de metano, a água é o hospedeiro e o metano é o hóspede. Por esse motivo, os químicos às vezes se referem aos clatratos como complexos hospedeiro-convidado .

Uma breve história do hidrato de metano

A história dos hidratos de gás pode ser rastreada até Humphrey Davy, um químico da Cornualha, Inglaterra, que identificou o cloro como um elemento em 1810.

Davy e seu assistente, Michael Faraday, continuaram a trabalhar com cloro no início de 1800, misturando o gás verde com água e resfriando a mistura a baixas temperaturas.



É muito provável que Davy tenha observado o estranho sólido que resultou quando os átomos de cloro ficaram envoltos em cristais de gelo, mas Faraday recebe o crédito oficial pela descoberta. Em 1823, Faraday publicou um relatório descrevendo a estranha substância e a chamou de hidrato de clatrato de cloro. Outros tipos de clatratos, cada um envolvendo um complexo de hóspedes trancado dentro da estrutura de treliça de um hospedeiro, logo foram descobertos, mas permaneceram uma curiosidade de laboratório.

Então, na década de 1930, os mineradores de gás natural começaram a reclamar de um material parecido com gelo entupindo dutos expostos a temperaturas frias. Os cientistas determinaram que este material não era gelo puro, mas gelo enrolado em metano. Eles não perderam tempo tentando encontrar maneiras de evitar a formação de hidratos e se voltaram principalmente para produtos químicos, como metanol ou monoetilenoglicol. Desde então, as mineradoras adicionaram esses materiais aos seus dutos de gás natural para inibir a formação de hidratos.

Na década de 1960, os cientistas descobriram que o hidrato de metano, ou "gás natural sólido", existia no campo de gás Messoyakha, no oeste da Sibéria. Isso foi significativo porque hidratos de gás naturais nunca haviam sido encontrados antes. Geólogos e químicos chegaram à vasta bacia e começaram a estudar as condições em que os hidratos se formavam. Eles descobriram que os sedimentos do sub-permafrost eram ricos em hidratos e começaram a procurar depósitos semelhantes em outras regiões de alta latitude. Logo, outra equipe de pesquisadores encontrou hidrato de metano em sedimentos enterrados nas profundezas da encosta norte do Alasca.

Com base nessas descobertas iniciais, o Serviço Geológico dos EUA (USGS) e o Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia do Departamento de Energia realizaram uma extensa pesquisa entre 1982 e 1992, revelando que depósitos de hidrato de metano também podem ser encontrados em sedimentos offshore. De repente, o que antes era uma curiosidade e um incômodo industrial parecia que poderia ser um recurso significativo. Em meados da década de 1990, o Japão e a Índia assumiram a liderança na pesquisa do hidrato de metano, com o objetivo de encontrar mais depósitos e desenvolver maneiras de extrair economicamente o metano aprisionado. Desde então, os cientistas descobriram depósitos de hidrato de metano em vários locais, incluindo o delta do rio Mackenzie, no Canadá, e o Nankai Trough, na costa do Japão.

A seguir, consideraremos o impacto que o hidrato de metano pode ter no suprimento de energia do mundo.

O potencial do combustível congelado

Quando os cientistas começaram a procurar depósitos de hidrato de metano, eles não ficaram desapontados. Eles os encontraram sob o permafrost do Ártico e sob o fundo do mar, especialmente em áreas onde uma placa tectônica desliza sobre outra. Essas regiões são conhecidas como zonas de subducção porque a borda de uma placa se move abaixo de outra. Por exemplo, na costa de Washington e Oregon, a placa Juan de Fuca está deslizando sob a placa norte-americana. Como um pedaço de madeira sendo arrastado pela lâmina de um avião, os sedimentos, incluindo hidratos, da placa Juan de Fuca são removidos pela crosta rochosa da placa norte-americana. Isso cria uma crista de hidratos que corre paralela à costa.

Depósitos de hidratos também foram encontrados em regiões onde grandes correntes oceânicas se encontram. Blake Ridge é uma formação localizada na costa da Carolina do Sul, em águas que variam de 2.000 a 4.800 metros de profundidade. Os geólogos acreditam que a crista se formou durante a época do Oligoceno, cerca de 33,7 a 23,8 milhões de anos atrás. O Mar da Groenlândia se abriu durante esse período, permitindo que grandes quantidades de água fria e densa fluíssem para o sul ao longo da costa atlântica. À medida que essa água fria corria de cabeça para a água quente sendo transportada para o norte na Corrente do Golfo, as correntes desaceleraram e soltaram grandes quantidades de sedimentos. O material orgânico enterrado nesses sedimentos acabou dando origem a uma grande quantidade de hidrato de metano.



Quanto desse combustível congelado existe em Blake Ridge e em outros locais ao redor do mundo? Algumas estimativas colocam a quantidade de metano retido em hidratos em algo entre 100.000 trilhões e 300.000.000 trilhões de pés cúbicos (2.832 trilhões a 8.495.054 trilhões de metros cúbicos). Compare isso com os 13.000 trilhões de pés cúbicos (368 trilhões de metros cúbicos) de reservas convencionais de gás natural restantes no planeta, e você pode entender por que os queixos da comunidade científica caíram [fonte:Collett].

Claro, encontrar os depósitos de hidrato é uma coisa. Como veremos na próxima seção, tirá-los - e fazê-lo com segurança - é outra coisa completamente diferente.

O arriscado negócio de mineração de hidrato de metano

As recompensas potenciais da liberação de metano dos campos de hidrato de gás devem ser equilibradas com os riscos. E os riscos são significativos. Vamos começar primeiro com os desafios enfrentados pelas empresas de mineração e seus trabalhadores. A maioria dos depósitos de hidratos de metano estão localizados em sedimentos do fundo do mar. Isso significa que as plataformas de perfuração devem ser capazes de atingir mais de 1.600 pés (500 metros) de água e então, como os hidratos geralmente estão localizados no subsolo, outros vários milhares de pés antes que possam começar a extração. Os hidratos também tendem a se formar ao longo das margens inferiores das encostas continentais, onde o fundo do mar se afasta da plataforma relativamente rasa em direção ao abismo. O fundo do mar aproximadamente inclinado dificulta o funcionamento do oleoduto.

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 Mountains
One 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.
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The Future of Frozen Fuel

In 1997, the U.S. Department of Energy (DOE) initiated a research program that would ultimately allow commercial production of methane from gas hydrate deposits by 2015. Three years later, Congress authorized funding through the Methane Hydrate Research and Development Act of 2000. The Interagency Coordination Committee (ICC), a coalition of six government agencies, has been advancing research on several fronts. Much of what we know about the basic science of methane hydrate -- how it forms, where it forms and what role it plays, both in seafloor stabilization and global warming -- has come from the ICC's research.

Interesting ideas about how to extract the methane from hydrates efficiently are also emerging. Some experts propose a technique in which miners pump hot water down a drill hole to melt the hydrate and release the trapped methane. As the methane escapes, it is pumped to the seafloor through a companion drill hole. From there, submarine pipelines carry the natural gas ashore. Unfortunately, such pipelines would need to travel over difficult underwater terrain. One solution is to build a production facility on the seafloor so it is situated near the hydrate deposits. As methane escapes from the heated sediments, workers in the plant would refreeze the gas to form "clean" methane hydrate. Submarines would then tow the frozen fuel in huge storage tanks to shallower waters, where the methane could be extracted and transported safely and efficiently.



Is all of this necessary? Won't renewable energy sources make it a waste of time to pursue another nonrenewable fossil fuel so vigorously? Realistically, fossil fuels will still be an important component of the world's overall energy mix for decades to come. According to the Energy Information Administration (EIA), total U.S. natural gas consumption is expected to increase from about 22 trillion cubic feet (0.622 trillion cubic meters) today to about 27 trillion cubic feet (0.76 trillion cubic meters) in 2030. Global natural gas consumption is expected to increase to 182 trillion cubic feet (5.15 trillion cubic meters) over the same period [source:EIA]. Tapping into the methane locked away in hydrates will obviously play a key role in meeting that demand.

That means the frozen fuel from methane hydrate can buy more time as scientists search for alternatives to power our planet. Think of it as an important stepping-stone in our transition to cleaner, greener energy sources.

Muito mais informações

Artigos relacionados do HowStuffWorks

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Fontes

• Allison, Edith and Ray Boswell. "Methane Hydrate:Future Energy Within Our Grasp." Office of Fossil Energy and National Energy Technology Laboratory. June 2007. (May 1, 2009)www.fossil.energy.gov/programs/oilgas/publications/methane_hydrates/MHydrate_overview_06-2007.pdf
• Collett, Timothy. "Natural Gas Hydrates -- Vast Resource, Uncertain Future." U.S. Geological Survey. March 2001. (May 1, 2009)http://pubs.usgs.gov/fs/fs021-01/
• Davies, J. Eric D. "The Golden Jubilee of Clathrates." Journal of Inclusion Phenomena and Molecular Recognition in Chemistry. Sept. 7, 1998.
• Durham, William B. "Methane Hydrate:A Surprising Compound." Science and Technology Review. March 1999. (May 1, 2009)https://www.llnl.gov/str/Durham.html
• Energy Information Administration. "World Natural Gas Consumption by Region, Reference Case, 1990-2030." Energy Outlook 2006. (May 1, 2009)http://www.eia.doe.gov/oiaf/forecasting.html
• Maynard, Barbara. "Methane Hydrates -- Energy Source of the Future?" Popular Mechanics. April 2006. (May 1, 2009) http://www.popularmechanics.com/science/earth/2558946.html
• National Methane Hydrates R&D Program. "All About Hydrates -- Blake Ridge." (May 1, 2009)http://www.netl.doe.gov/technologies/oil-gas/futuresupply/methanehydrates/about-hydrates/blake-ridge.htm
• Stone, Alex. "Fire From Ice." Discover Magazine. May 29, 2004. (May 1, 2009) http://discovermagazine.com/2004/may/fire-from-ice/?searchterm =methane%20hydrate
• Suess, Erwin, Gerhard Bohrmann, Jens Greinert and Erwin Lausch. "Flammable Ice." Scientific American. November 1999.
• Tarbuck, Edward J. and Frederick K. Lutgens. Earth Science, Eleventh Edition. Pearson Prentice Hall. 2006.