Por sí mismo, el metano no es muy emocionante. Es un gas incoloro e inodoro y el miembro más simple de la serie de hidrocarburos de los alcanos. Su mayor reclamo a la fama es que, como componente principal del gas natural, es útil como fuente de energía.
Recientemente, sin embargo, los geólogos han descubierto un tipo de metano que ha despertado su curiosidad. Parte de su carácter inusual es cómo existe en su estado natural:atrapado dentro de una jaula de hielo. Aún más intrigante es cuánto de este metano congelado parece estar encerrado en la corteza terrestre. Algunas estimaciones indican que hasta 700 cuatrillones (700 × 10 15 ) los pies cúbicos (20 cuatrillones de metros cúbicos) de metano están encerrados en hielo y atrapados en los sedimentos del fondo marino en todo el mundo [fuente:Tarbuck]. Eso es el doble de carbono que los otros combustibles fósiles de la Tierra combinados.
El descubrimiento de este nuevo tipo de metano, lo que los científicos llaman hidrato de metano , ha llevado a dos preguntas importantes. El primero es pragmático:¿se quemará como el metano ordinario? Resulta que lo hará. Si toma un trozo de hidrato de metano (parece nieve compactada) y lo toca con una cerilla encendida, la muestra arderá con una llama rojiza. Y si ese es el caso, podría usarse para calentar hogares, alimentar automóviles y, en general, alimentar a países hambrientos de energía como Japón, Estados Unidos, India y China. Datos recientes sugieren que solo el 1 por ciento de los depósitos de hidratos de metano de la Tierra podrían producir suficiente gas natural para satisfacer las necesidades energéticas de Estados Unidos durante 170 000 años [fuente:Stone].
La segunda pregunta es en parte una consideración ética:¿Deberíamos nosotros, como una comunidad global que intenta fervientemente desarrollar energía limpia y renovable, adoptar uno de los combustibles fósiles que nos metió en problemas en primer lugar? La ciencia no puede responder a esa pregunta. Sin embargo, puede revelar los desafíos y riesgos que enfrentan los países que esperan aprovechar el hidrato de metano. Uno de los desafíos más importantes es encontrar formas eficientes de extraer el combustible congelado. Más preocupantes son las catástrofes potenciales, que van desde deslizamientos de tierra submarinos masivos hasta un efecto invernadero descontrolado, relacionadas con la extracción de metano.
En este artículo, exploraremos todos los aspectos positivos y negativos del hidrato de metano. Veremos su historia relativamente breve, así como también cómo encaja en algunos posibles escenarios futuros. Y, por supuesto, examinaremos la ciencia básica detrás del llamado "hielo inflamable".
Comencemos con un poco de química.
Contenido
El combustible congelado es el nombre pegadizo de una familia de sustancias conocidas como hidratos de gas . El gas en cuestión es gas natural, una mezcla de hidrocarburos, como metano, propano, butano y pentano. De estos, el metano es, con mucho, el componente más común y uno de los compuestos más estudiados en química.
Como todos los hidrocarburos, el metano contiene solo dos elementos:carbono e hidrógeno. Es un ejemplo de un hidrocarburo saturado , o una molécula compuesta enteramente de enlaces simples y por lo tanto el número máximo de átomos de hidrógeno permitido. La fórmula general de los hidrocarburos saturados es Cn H2n+2 . El metano solo tiene un átomo de carbono, por lo que su fórmula química es CH4 . Los químicos describen esta forma como un tetraedro.
El metano es un gas combustible incoloro e inodoro producido por la descomposición bacteriana de materia vegetal y animal. Se forma en un proceso compartido por todos los combustibles fósiles. Primero, las plantas y los animales marinos mueren y caen al fondo del mar. A continuación, el lodo y otros sedimentos del fondo marino cubren los organismos en descomposición. Los sedimentos ejercen una gran presión sobre la materia orgánica y comienzan a comprimirla. Esta compresión, combinada con las altas temperaturas, rompe los enlaces de carbono de la materia orgánica, transformándola en petróleo y gas natural.
En general, este metano, lo que los geólogos describen como metano "convencional", se encuentra debajo de la superficie de la Tierra. Para llegar a él, los trabajadores deben perforar rocas y sedimentos y aprovechar los depósitos de metano para liberar el gas. Luego lo bombean a la superficie, donde se transporta a través de tuberías por todo el país.
El metano también puede formarse de forma no convencional si los sedimentos que lo producen se encuentran a unos 500 metros (1640 pies) por debajo de la superficie del océano. Las temperaturas cercanas al punto de congelación y la alta presión de estas condiciones hacen que el metano se encierre en hielo. El metano no se une químicamente con el agua. En cambio, cada molécula tetraédrica de metano se encuentra dentro de una capa cristalina hecha de hielo. Esta sustancia única se conoce como hidrato de metano , y tan pronto como alcanza temperaturas más cálidas y presiones más bajas, el hielo se derrite, dejando metano puro.
Los geólogos descubrieron el hidrato de metano de origen natural recientemente, pero los químicos lo conocen desde hace años, como veremos en la siguiente sección.
Compuestos de clatratoEl hidrato de metano es un clatrato , una sustancia química hecha de un compuesto anidado dentro de otro. La palabra proviene del latín clatratus , que significa "barras" o "celosía". Un compuesto sirve como anfitrión, el otro como invitado. En el caso del hidrato de metano, el agua es el huésped y el metano el huésped. Por esta razón, los químicos a veces se refieren a los clatratos como complejos huésped-huésped. .
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La historia de los hidratos de gas se remonta a Humphrey Davy, un químico de Cornwall, Inglaterra, quien identificó el cloro como un elemento en 1810.
Davy y su asistente, Michael Faraday, continuaron trabajando con cloro a principios del siglo XIX, mezclando el gas verde con agua y enfriando la mezcla a bajas temperaturas.
Es muy probable que Davy haya observado el extraño sólido que resultó cuando los átomos de cloro quedaron encerrados en cristales de hielo, pero Faraday obtiene el crédito oficial por el descubrimiento. En 1823, Faraday emitió un informe que describía la extraña sustancia y la llamó hidrato de clatrato de cloro. Pronto se descubrieron otros tipos de clatratos, cada uno con un compuesto huésped encerrado dentro de la estructura reticular de un huésped, pero siguieron siendo una curiosidad de laboratorio.
Luego, en la década de 1930, los mineros de gas natural comenzaron a quejarse de que un material similar al hielo obstruía las tuberías expuestas a bajas temperaturas. Los científicos determinaron que este material no era hielo puro, sino hielo envuelto alrededor de metano. No perdieron el tiempo tratando de encontrar formas de evitar la formación de hidratos y recurrieron principalmente a productos químicos, como metanol o monoetilenglicol. Desde entonces, las empresas mineras han agregado estos materiales a sus tuberías de gas natural para inhibir la formación de hidratos.
En la década de 1960, los científicos descubrieron que existía hidrato de metano, o "gas natural sólido", en el campo de gas Messoyakha en el oeste de Siberia. Esto fue significativo porque nunca antes se habían encontrado hidratos de gas naturales. Geólogos y químicos llegaron a la vasta cuenca y comenzaron a estudiar las condiciones en las que se estaban formando los hidratos. Descubrieron que los sedimentos debajo del permafrost eran ricos en hidratos y comenzaron a buscar depósitos similares en otras regiones de latitudes altas. Pronto, otro equipo de investigadores encontró hidrato de metano en sedimentos enterrados muy por debajo de la vertiente norte de Alaska.
Con base en estos primeros hallazgos, el Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) y el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía realizaron una extensa investigación entre 1982 y 1992, que reveló que los depósitos de hidratos de metano también se pueden encontrar en los sedimentos en alta mar. De repente, lo que alguna vez había sido una curiosidad y una molestia industrial parecía que podría ser un recurso importante. A mediados de la década de 1990, Japón e India tomaron la delantera en la investigación de hidratos de metano, con el objetivo de encontrar más depósitos y desarrollar formas de extraer económicamente el metano atrapado. Desde entonces, los científicos han descubierto depósitos de hidrato de metano en numerosos lugares, incluido el delta del río Mackenzie en Canadá y el Nankai Trough en la costa de Japón.
A continuación, consideraremos el impacto que podría tener el hidrato de metano en el suministro de energía mundial.
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Una vez que los científicos comenzaron a buscar depósitos de hidratos de metano, no se sintieron decepcionados. Los encontraron debajo del permafrost del Ártico y debajo del lecho marino, especialmente en áreas donde una placa tectónica se desliza sobre otra. Estas regiones se conocen como zonas de subducción porque el borde de una placa se mueve debajo de otra. Por ejemplo, frente a la costa de Washington y Oregón, la placa de Juan de Fuca se desliza por debajo de la placa de América del Norte. Como un trozo de madera que pasa por la hoja de un avión, los sedimentos, incluidos los hidratos, de la placa de Juan de Fuca son eliminados por la corteza rocosa de la placa de América del Norte. Esto crea una cresta de hidratos que corre paralela a la costa.
También se han encontrado depósitos de hidratos en regiones donde se encuentran grandes corrientes oceánicas. Blake Ridge es una formación ubicada frente a la costa de Carolina del Sur, en aguas que van desde 6562 a 15 748 pies (2000 a 4800 metros) de profundidad. Los geólogos creen que la cresta se formó durante la época del Oligoceno, hace unos 33,7 a 23,8 millones de años. El mar de Groenlandia se abrió durante este tiempo, lo que permitió que grandes cantidades de agua fría y densa fluyeran hacia el sur a lo largo de la costa atlántica. A medida que esta agua fría corría de cabeza hacia el agua caliente que era transportada hacia el norte por la Corriente del Golfo, las corrientes se ralentizaron y arrojaron grandes cantidades de sedimento. El material orgánico enterrado en estos sedimentos finalmente dio lugar a una gran cantidad de hidrato de metano.
¿Cuánto de este combustible congelado existe en Blake Ridge y otros sitios alrededor del mundo? Algunas estimaciones sitúan la cantidad de metano encerrado en hidratos entre 100 000 billones y 300 000 000 billones de pies cúbicos (2 832 billones a 8 495 054 billones de metros cúbicos). Compare eso con los 13,000 billones de pies cúbicos (368 billones de metros cúbicos) de reservas de gas natural convencional que quedan en el planeta, y podrá entender por qué la comunidad científica se ha quedado boquiabierta [fuente:Collett].
Por supuesto, encontrar los depósitos de hidratos es una cosa. Como veremos en la siguiente sección, sacarlos, y hacerlo de manera segura, es otra cosa completamente distinta.
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Las recompensas potenciales de liberar metano de los campos de hidratos de gas deben equilibrarse con los riesgos. Y los riesgos son significativos. Comencemos primero con los desafíos que enfrentan las empresas mineras y sus trabajadores. La mayoría de los depósitos de hidratos de metano se encuentran en los sedimentos del fondo marino. That means drilling rigs must be able to reach down through more than 1,600 feet (500 meters) of water and then, because hydrates are generally located far underground, another several thousand feet before they can begin extraction. 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.
