Klatrathydrater (Fig. 1) är burliknande strukturer av vattenmolekyler som hyser gästgasarter. De bildas när gasen interagerar med is under högt tryck och låga temperaturer, och tros påverka ytgeologin och sammansättningen av isiga kroppar i solsystemet. Även om vikten av klatrater länge har erkänts, Tidigare studier av deras bildning och fysikaliska egenskaper har mestadels innefattat teoretiska termodynamiska beräkningar för strukturer framställda av rena vattenlösningar. I ny forskning, publiceras i Astronomi &Astrofysik , dock, koldioxid (CO2) klatrathydrater framställda av svaga saltlösningar har undersökts. Teamet av forskare, inklusive doktoranden Emmal Safi, använde High Resolution Powder Diffraction beamline (I11) vid Diamond Light Source för att genomföra en in situ-studie av klatrater som är mer relevanta för de som produceras i de salta haven av isiga månar. Resultaten indikerar betydande skillnader i formningsegenskaper och fysikaliska egenskaper hos CO2-klatrater jämfört med de som bildas från rena vattenlösningar. De nya rönen kan användas för att hjälpa till att kalibrera och informera modeller om klatratbildning på jorden, och andra planetariska kroppar.

Klatrater i det yttre solsystemet

Fjärranalys av Saturnus måne Enceladus har avslöjat att både vattenis och CO2 finns på dess yta, och det är en potentiell livsmiljö för utomjordiskt mikrobiellt liv. Dessutom, förhållanden på denna måne – eller andra isiga satelliter – kan främja bildandet av klatrater. Verkligen, frigörandet av gaser (t.ex. CO2) från de förmodade klatraterna har föreslagits som källan till gasplymer som kommer från Enceladus yta.

Bildandet av klatrater påverkar sammansättningen av både havet från vilket de bildas och isskorpan som de producerar. De fysikaliska egenskaperna hos dessa strukturer är därför viktiga bitar i pusslet med isig mångeologi. Clatrat återfuktar, dock, är "ökänt svåra att studera i laboratoriet eftersom de ofta är svåra att göra på begäran", förklarar Dr Stephen Thompson, Senior Beamline Scientist för I11 och medutredare av denna studie. Tills nu, experimentella mätningar av sådana klatrater under fysiskt relevanta, planetära analoga förhållanden har därför saknats. Vidare, de termodynamiska beräkningar som vanligtvis används för att modellera strukturernas fysikaliska egenskaper kan vara problematiska, eftersom de inte nödvändigtvis kan extrapoleras till de relevanta tryck- och temperaturförhållandena.

Långvarigt samarbete

I den nya forskningen, del av ett doktorandprojekt som stöds gemensamt av Diamond och Keele University, forskarna använde en speciellt utvecklad experimentell teknik för att mäta de fysikaliska egenskaperna hos CO2-klatrathydrater under en rad förhållanden som är relevanta för isiga månar. De tillverkade CO2-klatraterna i laboratoriet av tre frysta epsomitlösningar (ett magnesiumsulfatmineral), med syftet att replikera havens salthaltsförhållanden på dessa satelliter. In situ synkrotronröntgenpulverdiffraktionsmätningar av klatraterna gjordes sedan på I11 när temperaturen på proverna cyklades mellan 90 och 250 K, i tryckområdet 5–20 bar. I11-strållinjen valdes på grund av dess samtidiga höga upplösning, in situ gasleverans, variabel temperatur, och snabba mätmöjligheter. De resulterande data gör sålunda att klatraternas kristallstruktur kan undersökas som en funktion av temperaturen, tryck, och salthalt.

Framgången med dessa experiment är "särskilt spännande för laget", säger Dr Thompson, eftersom "det är det senaste steget i ett långvarigt samarbete mellan Diamond och Keele University som sträcker sig tillbaka till 2010". Till exempel, tillämpningen av högtrycksgascellerna och det experimentella förfarandet som används i detta arbete är resultatet av forskning utförd av Dr Sarah Day under hennes doktorsexamen vid Diamond and Keele University (Dr Day är nu en I11 Senior Support-forskare och en medförfattare av denna tidning).

Salthaltens roll

De experimentella resultaten indikerar att CO2-klatratbildning sker vid lägre temperaturer i epsomitlösningarna än i rena vattenisekvivalenter. Uppgifterna också, oväntat, visa att den hexagonala polymorfen av is är dominerande under experimenten, även om den kubiska formen är mer termodynamiskt stabil vid låga temperaturer. Teamet tillskriver detta förekomsten av epsomite i lösningarna. Resultaten visar vidare att densiteten hos klatraterna är tryck- och temperaturberoende, och att de har en högre densitet än de lösningar som de bildas av. CO2-klatrater kommer alltså att sjunka, snarare än att stiga, i ett salt hav och kanske inte direkt bidrar till bildandet av Enceladus gasplymer.

Konsekvenser och framtida arbete

Detta arbete belyser behovet av experimentella data i studien av klatrater under fysiskt relevanta förhållanden. Sådana observationer krävs, förutom teoretiska modeller, att till fullo förstå dessa strukturer och bedöma deras potential på jorden som bränslekälla (t.ex. metanklatrater) eller för kolbindning. Som en del av deras pågående arbete, teamet kommer snart att genomföra liknande experiment på I11 för att undersöka de fysikaliska egenskaperna hos metanklatrathydrater som bildas i ammoniumsulfatlösningar, som är relevanta för att studera Titan, Saturnus största måne.