Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Art von Eis entdeckt - neue Forschungen für Energieerzeugung und -speicherung möglich

11.12.2014

Die Entdeckung einer neuen Art von Eis könnte zu einem verbesserten Verständnis geologischer Prozesse auf unserem Planeten führen – und dadurch helfen, neue Lösungen bei Herstellung, Transport und Speicherung von Energie zu finden.

Eis XVI, das Eis mit der geringsten bekannten Dichte, hat eine hochgradig symmetrische Struktur aus Käfigen, die Gas-Moleküle und -Atome einfangen können, um Verbindungen zu formen, die als Einschlussverbindungen (Clathrate oder Käfigverbindungen) oder Gas-Hydrate bekannt sind.


veröffentlicht in Nature

Falenty et al

Solche Einschlussverbindungen sind bekannt dafür, dass sie sehr große Mengen von Methan und anderen Gasen im Permafrost sowie in den ausgedehnten mehrere hundert Meter dicken Sedimentschichten am Meeresgrund speichern. Deren potenzielle Zersetzung könnte erhebliche Auswirkungen für unseren Planeten haben. Daher ist ein verbessertes Verständnis ihrer Eigenschaften von so großer Bedeutung.

In einem wissenschaftlichen Aufsatz, der diese Woche in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler der Universität von Göttingen und des Institut Laue Langevin (ILL) von der ersten leeren Käfigverbindung dieser Art berichtet. Sie besteht aus einem Rahmen von Wassermolekülen, bei dem alle Gastmoleküle entfernt wurden. Lange Zeit wurde angenommen, dass diese Konstellation nur hypothetisch sei. Diese leere Einschlussverbindung spielt eine wichtige Rolle in unserem Verständnis der physikalischen Chemie von Gashydraten. Die Forschungen an diesen könnten helfen, den Transport von Gas und Öl durch Pipelines in Gegenden mit niedrigen Temperaturen zu erleichtern, sowie bisher unnutzbare Reservoirs von natürlichem Gas am Meeresboden erschließen.

Um die Probe von Eis XVI zu erstellen, synthetisierten die Forscher eine mit Neongas-Atomen gefüllte Einschlussverbindung, die sie anschließend entfernten. Dafür pumpten sie diese bei niedrigen Temperaturen vorsichtig heraus. Mit kleinen Atomen wie die von Neongas konnten die Käfigverbindungen geleert werden, ohne dass ihre empfindliche Struktur gefährdet wurde.

Dafür wurde die Neon-Käfigverbindung bei Temperaturen von circa 140° K im Vakuum gepumpt, während die Daten der Neutronenbeugung mit dem Hochfluss-Difraktometer D20 des ILL erhoben wurden. Die so aufgenommenen Beugungsbilder erlaubten es ihnen, den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem die Käfigverbindung vollständig geleert war. Zudem lieferten sie ein vollständiges Bild der entstandenen Struktur.

Als ein stabiler kristalliner Feststoff, der vollständig aus H2O-Molekülen zusammengesetzt wird, bildet die leere Einschlussverbindung eine neue Sorte (Phase) von Eis. Eis XVI ist das 17. entdeckte Eis und von allen bekannten kristallinen Formen von Wasser diejenige mit der geringsten Dichte. Es wird auch erwartet, dass es eine stabile Niedrigtemperatur-Konfiguration von Wasser bei negativem Druck darstellt (negativer Druck entspricht Spannung – dem Gegenteil von Kompression, also positivem Druck). Bis jetzt ist es die einzige experimentell erzeugte Form von Eis mit der Struktur einer Käfigverbindung.

Da die leere Käfigverbindung als ein Referenzrahmen für zahlreiche molekulare Simulationen von Gashydraten benutzt wird, haben sich Wissenschaftler bis heute auf annähernde theoretische Modelle gestützt, um ihre Arbeit zu untermauern. Die Rahmenstruktur der leeren Käfigverbindung, die am ILL erreicht wurde, macht es möglich, deren grundlegende strukturelle und thermodynamische Eigenschaften genauer zu bestimmen. Die Fähigkeit, solche leeren Käfigstrukturen zu schaffen und zu beobachten, hat das Potenzial, das Verständnis solcher Gashydrate erheblich zu verbessern.

Nach dem World Energy Outlook der Internationalen Energie Agentur aus dem Jahr 2007 übersteigt die Gesamtmenge von Methangas, das in Käfigstrukturen am Meeresgrund gebunden ist, bei weitem die ökonomisch ausbeutbaren Reserven „konventioneller“ Kohlenstoffreserven wie Kohle, Erdöl oder natürliches Gas. Diese Reserven sind aktuell schwer auszubeuten, sind aber Gegenstand intensiver Erforschung.

Thomas Hansen, einer der Autoren der Studie und Instrumentenwissenschaftler am D20 des ILL, sagt: „Es bleibt anzumerken, dass Gashydrate auch mit Kohlendioxid gebildet werden können, das bei den Bedingungen am Meeresgrund stabil sein kann. Es besteht also die Möglichkeit, Methan zu aus dem Methanhydrat zu extrahieren, um es in nutzbringende Energie umzuwandeln, indem man es mit CO2 ersetzt. Anders gesagt: Wir könnten CO2 im Austausch für Methan in Gas-Hydraten auf den Meeresgrund bringen. Die damit verbundenen Herausforderungen sind natürlich gewaltig und die Machbarkeit bleibt noch fraglich. Diese Möglichkeit bleibt dennoch äußerst faszinierend und ist es wert, weiter erforscht zu werden.“

Seine Ko-Autoren Andrzej Falenty und Werner F. Kuhs von der Universität Göttingen gehören zum SUGAR-Projektteam. Das Ziel von SUGAR ist es, die wissenschaftlichen, technischen und ökonomischen Möglichkeiten eines solchen Unterfangens zu untersuchen. Die Bundesregierung finanziert das Projekt. Ähnliche Aktivitäten gibt es aktuell in Japan, China, Indien und weiteren Ländern.

„Leere Einschlussverbindungen waren Jahre lang Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Spekulationen, weil deren tatsächliche Existenz ziemlich unsicher war. Mit der dieser Entdeckung kommen wir aus dem Bereich der Spekulationen. Mehr noch: Sie liefert uns einen neuen Edelstein aus der faszinierenden Schatzkiste von Eis-Phasen. Das Bestimmen der Eigenschaften von Eis XVI wird ein weiterer Meilenstein für jedes Modell sein, das die physikalischen Eigenschaften von Wasser beschreiben will. Das allein ist schon ein enormer Fortschritt. Mit diesem Verständnis hoffen wir, Fortschritte bei den damit verbundenen Fragen zum Thema Energie zu machen”, ergänzt Helmut Schober, Wissenschaftsdirektor des ILL.

Ein Gebiet, bei dem die Forschung mit Käfigstrukturen unmittelbareren Nutzen haben wird, ist die Wartung von Pipelines, durch die Gas mit hohem Druck und bei niedriger Temperatur transportiert wird. Diese Bedingungen können dazu führen, dass sich Gashydrate in den Rohren bilden, die diese verstopfen können. Um diese zu verhindern, wendet die Industrie weltweit rund 500 Millionen US-Dollar (ca. 400 Millionen Euro) im Jahr auf. Angesichts der hohen ökonomischen Bedeutung solcher Pipelines, stellt das einen hohen Kostenfaktor dar, der mit weiteren Forschungen an Käfigverbindungen reduziert werden kann.

Pressekontakt:
In England: Gileat Amid +44 20 719 32010 – gilead@proofcommunication.com
In Deutschland: Arno Laxy +49 89 15 92 96 76 – ill@sympra.de

Über das Institut Laue-Langevin (ILL) – Das Institut Laue-Langevin (ILL) ist ein internationales Forschungszentrum im französischen Grenoble. Seit den ersten Experimenten im Jahr 1972 ist es führend auf dem Gebiet der Neutronenstreuungsforschung und -technologie. Das ILL betreibt eine der stärksten Neutronenquellen der Welt, von der Neutronenstrahlen zu 40 hochkomplexen Instrumenten geleitet werden, die ständig modernisiert und verbessert werden. Jährlich besuchen 1.200 Wissenschaftler aus mehr als 40 Ländern das ILL, um Forschungsarbeiten auf den Gebieten Physik der kondensierten Materie, (grüne) Chemie, Biologie, Kern- und Teilchenphysik sowie Materialwissenschaft durchzuführen. Deutschland, Frankreich und Großbritannien sind Partner und Hauptgeldgeber des ILL.


Weitere Informationen:

http://www.ill.eu

Arno Laxy | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie