Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 17 – vyšlo 2. května, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Energetický poklad aneb oheň v ledu

Michal Krankus

Gymnázium dr. A. Hrdličky v Humpolci

Nejjednodušší alkanAlkany – uhlovodíky, které obsahují jen jednoduché vazby mezi vodíkem a uhlíkem. Nemají žádné násobné vazby. se možná brzy stane ceněným a oblíbeným plynem, který bude zdrojem „čisté“ energie a možná pomůže světu z energetické krize. Molekuly metanuMetan – nejjednodušší uhlovodík, CH₄. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn. se totiž mohou zachytávat v krystalické struktuře obyčejného vodního ledu. Vzniká tak látka, které se říká hořlavý led, ledový metan, hydrátHydráty – látka obsahující molekuly vody provázané s dalšími molekulami. metanu nebo klatrátKlatráty – krystalické sloučeniny vzniklé vřazením cizí molekuly do dutiny krystalové mříže hostitelské látky. metanu.

Nalevo: Molekula metanu (zeleně) uvězněná v krystalu ledu, který vytváří kolem dvanáctistěn nebo čtrnáctistěn. Napravo: Hořící hydrát metanu. Zdroj: University of Arizona.

Alkany – uhlovodíky, které obsahují jen jednoduché vazby mezi vodíkem a uhlíkem. Nemají žádné násobné vazby.

Hydráty – látka obsahující molekuly vody provázané s dalšími molekulami.

Klatráty – krystalické sloučeniny vzniklé vřazením cizí molekuly do dutiny krystalové mříže hostitelské látky.

Metan – nejjednodušší uhlovodík, CH₄. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn.

Hydrát metanu

Hydrát metanu je tuhá bílá látka skládající se z krystalické vody, jež v sobě „uzamyká“ metan a má chemický vzorec CH₄•5,75 H₂O. Vzorec vyjadřuje, že 1 molMol – Mol je jednotka látkového množství dané entity (atomů, molekul, iontů, elektronů nebo jiných jedinců či jejich skupin), jejíž velikost je dána Avogadrovou konstantou, která byla zafixována na hodnotě N_A = 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹. metanu je vázán na 5,75 molů vody, výsledná hustota je 0,9 g/cm³. Jeden litr pevného ledu obsahuje 169 litrů (120 gramů) plynného metanu (za teploty 0° C a tlaku 1 atm). Tento substrát pravděpodobně nejčastěji vzniká uvolňováním metanu z hlubin Země; plyn stoupá zlomy v kůře a díky vysokému tlaku a nízké teplotě se uzavře do „vodních klecí“. První takové sedimenty byly objeveny v roce 1971 na dně Černého moře, později byly nalezeny i na dnech dalších moří a oceánů.

Metan je nejjednodušší uhlovodík, který známe. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn, který je lehčí než vzduch a je bez zápachu. Jeho molekula má symetrii pravidelného čtyřstěnu, v jehož těžišti se nachází atom uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. vrcholy jsou tvořeny atomy vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.. Dokonale symetrická molekula je jako celek nepolární i přesto, že samotné vazby H–C malou polaritu vykazují. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina – zemní plyn. Vzniká také při tlení, díky čemuž získal přízvisko „bahenní plyn“.

Naleziště hydrátu metanu. Žlutě jsou označena naleziště objevená na základě vrtů. Červeně jsou označena naleziště, jejichž existence je předpokládána na základě různých nepřímých indikátorů (nejčastěji odrazů seismických vln). Zdroj: Aquarium Research Institute

Hydrát metanu obsažený ve vzorcích z hlubinných vrtů. Zdroj: Wikimedia.

Jezero Bajkal

Na dně jezera Bajkal se nachází tzv. „energetický poklad“ v podobě kusů ledu podobných hydrátům metanu. Tyto kusy hoří obdobně jako samotný metan, a jde proto o velmi čisté palivo.

V současné době probíhá intenzivní výzkum, jak tento „poklad“ vytěžit. Struktury hydrátů metanu vznikají díky unikátním podmínkám. Organické látky obsažené ve vodě klesají v jezeře ke dnu a rozkládají se. Mikrobi, kteří mají tyto látky jako zdroj potravy, uvolňují metan. Pokud je při uvolňování dostatečně vysoký tlak a nízká teplota, jsou molekuly metanu uzavřeny do vodních klecí a zůstávají v sedimentech. Jestliže se najde způsob, jak tyto „klece“ otevřít, získáme hořlavý plyn – metan. Jeho spalováním by se uvolnila energie bez dalších odpadních látek a z metanu by se stalo nejčistší fosilní palivo na světě. Odhaduje se, že zásoby hydrátů metanu převyšují zásoby jiných fosilních paliv a obsahují 10¹⁵ až 10¹⁷ m³ metanu. Podle odhadu je v nich uloženo dvakrát více energie než ve všech zásobách ostatních fosilních paliv dohromady.

Další zdroje

Jezerní a mořské sedimenty ale nejsou jedinou zásobárnou metanu. Na mořských dnech se vyskytují tzv. „sněhové závěje“, v nichž je opět obsažen metan. Jsou sice mnohonásobně menší než sedimenty, ale je jich mnoho. Neoddiskutovatelnou výhodou je to, že se nemusejí provádět vrty v sedimentech. Stačí pouze „posbírat sníh“.

Zásoby metanu na dnech jezer a moří zaujaly vědce z celého světa. Výzkum se provádí v Rusku, Spojených státech, Švédsku, Japonsku a v dalších zemích. Problém však je, že tato těžba může poškodit vodní život, který je například u jezera Bajkal chráněný.

Samozřejmě, že i tento způsob získávání energie má svá úskalí. Hydráty metanu jsou velmi citlivé sedimenty. Zvýšení teploty nebo snížení tlaku může vyvolat oddělení jejich složek. Pokud se sediment přemění na kapalinu a plyn, může dojít k sesuvům nebo poklesům půdy na mořském dně a tím k poškození výrobních zařízení.

Přes veškeré problémy, ať už mluvíme o technicky velmi náročné těžbě způsobené složitým prostředím hydrátů, nebo o možném poškození životního prostředí, přinášejí hydráty metanu obrovský potenciál pro výrobu energie, která se v našem světě rozhodně neztratí.

Metan unikající z podmořských sedimentů ve Východosibiřském moři
(součást Severního ledového oceánu). Zdroj: Alternativ Energia.

Hydrát metanu na dně Mexického zálivu v hloubce 570 m. Kopec z hydrátu metanu
je asi 1 metr veliký. Foto: Ian R. MacDonald.

Odkazy