Clathrate de dioxyde de carbone - Carbon dioxide clathrate
L' hydrate de dioxyde de carbone ou clathrate de dioxyde de carbone est une substance cristalline ressemblant à de la neige composée de glace d' eau et de dioxyde de carbone . Il est normalement un gaz de type I clathrate . Il existe également des preuves expérimentales du développement d'une phase métastable de type II à une température A proche du point de fusion de la glace. Le clathrate peut exister en dessous de 283K (10 °C) à une gamme de pressions de dioxyde de carbone. Les hydrates de CO 2 sont largement étudiés dans le monde en raison de leurs perspectives prometteuses de capture du dioxyde de carbone des gaz de combustion et des flux de gaz combustibles pertinents pour la capture post-combustion et pré-combustion. Il est également fort probable qu'il soit important sur Mars en raison de la présence de dioxyde de carbone et de glace à basse température.
Histoire
La première preuve de l'existence d' hydrates de CO 2 remonte à l'année 1882, lorsque Zygmunt Florenty Wróblewski a signalé la formation de clathrate lors de l'étude de l'acide carbonique . Il a noté que l'hydrate de gaz était un matériau blanc ressemblant à de la neige et qu'il pouvait être formé en augmentant la pression au-dessus d'une certaine limite dans son système H 2 O - CO 2 . Il fut le premier à estimer la composition en hydrate de CO 2 , la trouvant à environ CO 2 •8H 2 O. Il mentionne également que "... l'hydrate se forme uniquement soit sur les parois du tube, là où la couche d'eau est extrêmement mince ou sur la surface de l' eau libre ... (du français) "Cela indique déjà l'importance de la surface disponible pour la réaction (la plus grande de la surface mieux). Plus tard, en 1894, MP Villard déduit la composition des hydrates en CO 2 •6H 2 O. Trois ans plus tard, il publie la courbe de dissociation des hydrates comprise entre 267 K et 283 K (-6 à 10°C). Tamman & Krige ont mesuré la courbe de décomposition des hydrates de 253 K à 230 K en 1925 et Frost & Deaton (1946) ont déterminé la pression de dissociation entre 273 et 283 K (0 et 10°C). Takenouchi & Kennedy (1965) ont mesuré la courbe de décomposition de 45 bars jusqu'à 2 kbar (4,5 à 200 MPa ). L' hydrate de CO 2 a été classé pour la première fois comme clathrate de type I par von Stackelberg & Muller (1954).
Importance
Terre
Sur Terre, l' hydrate de CO 2 est surtout d'intérêt académique. Tim Collett du United States Geological Survey (USGS) a proposé de pomper du dioxyde de carbone dans des clathrates de méthane souterrains , libérant ainsi le méthane et stockant le dioxyde de carbone. Depuis 2009, ConocoPhillips travaille sur un essai sur le versant nord de l'Alaska avec le département américain de l'Énergie pour libérer du méthane de cette manière. A première vue, il semble que les conditions thermodynamiques y favorisent l'existence d'hydrates, mais étant donné que la pression est créée par l'eau de mer plutôt que par le CO 2 , l'hydrate va se décomposer.
Mars
Cependant, on pense que le clathrate de CO 2 pourrait être d'une importance significative pour la planétologie . Le CO 2 est un volatil abondant sur Mars . Il domine dans l' atmosphère et recouvre la plupart du temps ses calottes polaires . Au début des années 70, l'existence possible d' hydrates de CO 2 sur Mars a été proposée. Examen récent de la température et de la pression du regolith et des propriétés d' isolation thermique de la neige carbonique et CO 2 clathrate a suggéré que la glace sèche, CO 2 clathrate, CO liquide 2 , et carbonatée des eaux souterraines sont communs phases , même à des températures de Mars.
Si des hydrates de CO 2 sont présents dans les calottes polaires martiennes, comme le suggèrent certains auteurs, alors la calotte polaire peut potentiellement fondre en profondeur. La fonte de la calotte polaire ne serait pas possible si elle était entièrement composée de glace d'eau pure (Mellon et al. 1996). Cela est dû à la conductivité thermique inférieure du clathrate , à sa stabilité sous pression plus élevée et à sa résistance supérieure, par rapport à la glace d'eau pure.
La question d'un éventuel cycle diurne et annuel des hydrates de CO 2 sur Mars demeure, puisque les grandes amplitudes de température qui y sont observées provoquent des sorties et des rentrées du champ de stabilité des clathrates sur une base journalière et saisonnière. La question est alors de savoir si l'hydrate de gaz déposé à la surface peut être détecté par quelque moyen que ce soit ? Le spectromètre OMEGA à bord de Mars Express a renvoyé certaines données, qui ont été utilisées par l'équipe OMEGA pour produire des images à base de CO 2 et H 2 O de la calotte polaire Sud. Aucune réponse définitive n'a été donnée en ce qui concerne la formation martienne de clathrate de CO 2 .
On pense que la décomposition de l' hydrate de CO 2 joue un rôle important dans les processus de terraformation sur Mars, et bon nombre des caractéristiques de surface observées lui sont en partie attribuées. Par exemple, Musselwhite et al. (2001) ont soutenu que les ravins martiens n'avaient pas été formés par de l'eau liquide mais par du CO 2 liquide , puisque le climat martien actuel ne permet pas l'existence d'eau liquide à la surface en général. Cela est particulièrement vrai dans l'hémisphère sud, où se trouvent la plupart des structures de ravines. Cependant, de l'eau peut y être présente sous forme de glace Ih , d' hydrates de CO 2 ou d'hydrates d'autres gaz. Tous ces éléments peuvent fondre dans certaines conditions et entraîner la formation de ravines. Il peut également y avoir de l'eau liquide à des profondeurs > 2 km sous la surface (voir les géothermies dans le diagramme de phase). On pense que la fonte de la glace souterraine par des flux de chaleur élevés a formé les terrains chaotiques martiens . Milton (1974) a suggéré que la décomposition du clathrate de CO 2 a causé des sorties d'eau rapides et la formation de terrains chaotiques. Cabrol et al. (1998) ont proposé que l'environnement physique et la morphologie des dômes polaires sud sur Mars suggèrent un cryovolcanisme possible . La région étudiée était constituée de dépôts en couches de 1,5 km d'épaisseur recouverts de façon saisonnière par du gel de CO 2 reposant sur de la glace H 2 O et de l' hydrate de CO 2 à des profondeurs > 10 m. Lorsque la pression et la température sont élevées au-dessus de la limite de stabilité, le clathrate se décompose en glace et en gaz, ce qui entraîne des éruptions explosives .
On peut donner encore beaucoup plus d'exemples de l'importance possible de l' hydrate de CO 2 sur Mars. Une chose reste floue : est-il vraiment possible d'y former de l'hydrate ? Kieffer (2000) suggère qu'aucune quantité significative de clathrates ne pourrait exister près de la surface de Mars. Stewart et Nimmo (2002) trouvent qu'il est extrêmement improbable que le clathrate de CO 2 soit présent dans le régolithe martien en quantités qui affecteraient les processus de modification de surface. Ils soutiennent que le stockage à long terme de l' hydrate de CO 2 dans la croûte, hypothétiquement formé dans un ancien climat plus chaud, est limité par les taux d'élimination dans le climat actuel. Boulanger et al. 1991 suggère que, sinon aujourd'hui, du moins au début de l'histoire géologique martienne, les clathrates peuvent avoir joué un rôle important dans les changements climatiques là-bas. Comme on en sait peu sur la cinétique de formation et de décomposition des hydrates de CO 2 ou sur leurs propriétés physiques et structurelles, il devient clair que toutes les spéculations mentionnées ci-dessus reposent sur des bases extrêmement instables.
Lunes
Sur Encelade, la décomposition du clathrate de dioxyde de carbone est un moyen possible d'expliquer la formation de panaches de gaz.
En Europe (lune) , le clathrate devrait être important pour stocker le dioxyde de carbone. Dans les conditions de l'océan souterrain en Europe, le clathrate de dioxyde de carbone devrait couler et donc ne pas être apparent à la surface.
Diagramme de phase
Les structures hydratées sont stables à différentes conditions de pression-température en fonction de la molécule invitée. Voici un diagramme de phases lié à Mars de l' hydrate de CO 2 , combiné à ceux du CO 2 pur et de l'eau. L' hydrate de CO 2 a deux points quadruples : (I-Lw-HV) ( T = 273,1 K ; p = 12,56 bar ou 1,256 MPa) et (Lw-HV-LHC) ( T = 283,0 K ; p = 44,99 bar ou 4,499 MPa ). Le CO 2 lui-même a un point triple à T = 216,58 K et p = 5,185 bar (518,5 kPa) et un point critique à T = 304,2 K et p = 73,858 bar (7,3858 MPa). La région gris foncé (VIH) représente les conditions dans lesquelles l' hydrate de CO 2 est stable avec le CO 2 gazeux et la glace d'eau (en dessous de 273,15 K). Sur les axes horizontaux, la température est indiquée en kelvins et en degrés Celsius (respectivement en bas et en haut). Sur les verticales sont données la pression (à gauche) et la profondeur estimée dans le régolithe martien (à droite). La ligne horizontale en pointillés à une profondeur nulle représente les conditions de surface martiennes moyennes. Les deux lignes pointillées courbées montrent deux géothermes martiens théoriques d'après Stewart & Nimmo (2002) à 30° et 70° de latitude.