El grupo de investigación del Laboratorio de materiales Avanzados, LMA, del departamento de Química Inorgánica de la Universidad de Alicante ha desarrollado una tecnología que permite preparar hidratos de metano artificiales. La investigación ha sido publicada en la prestigiosa revista científica Nature Communications.
Liderada por los investigadores Joaquín Silvestre Albero, Francisco Rodríguez Reinoso y Manuel Martínez Escandell, la investigación ha sido realizada por la licenciada Mirian E. Casco, becaria de la Universidad de Alicante. En ella se demuestra que es posible preparar hidratos de metano en el laboratorio mimetizando, e incluso mejorando, a la naturaleza mediante el uso de materiales de carbón activado como nano-reactores. Uno de los factores clave en esta investigación es que se ha conseguido reducir a minutos un proceso –el de la formación de hidratos de metano- que en la naturaleza requiere de tiempos muy largos, lo que facilita su posible aplicación tecnológica.
El grupo LMA de la Universidad de Alicante lleva más de 30 años trabajando en el diseño y síntesis de materiales de carbón activado de altas prestaciones. Según explica el investigador responsable del proyecto, Joaquín Silvestre, “estos materiales no solamente tienen un gran potencial para la eliminación de moléculas contaminantes, tanto en el aire como en corrientes industriales, sino que también tienen un amplio potencial como sistemas de almacenamiento de gases”.
Estos resultados constituyen un paso adelante en la comprensión del proceso de síntesis artificial de estas estructuras naturales y abren una nueva vía para utilizar combustibles como el gas natural en el sector transporte, en sustitución de gasolina y diésel, o para el transporte a grandes distancias del gas natural (ej. frente a la actual transporte de gas licuado a -162ºC, dado que puede hacerse a una temperatura mucho más próxima a la temperatura ambiente). “Nuestros resultados muestran que algunos de nuestros carbones son capaces de suministrar una cantidad tan elevada como 300 volúmenes de metano almacenado a 100 atmósferas por cada unidad de volumen del carbón húmedo”, aseguran.
Silvestre explica que esta investigación ha aprovechado el efecto denominado “de confinamiento” para sintetizar de forma artificial hidratos de metano dentro de las cavidades o poros del carbón. “Los hidratos de metano han sido preparados sobre materiales de carbón activado pre-humidificados bajo condiciones de presión y temperatura más suaves (30 atmósferas y 2ºC) que las presentes en la naturaleza”.
Tras la síntesis y análisis realizados en el laboratorio de la Universidad de Alicante, el estudio se ha completado en los laboratorios “Rutherford Appleton Laboratory” de Oxford (Reino Unido), mediante dispersión de neutrones, y en el sincrotrón ALBA, situado en Barcelona (España). “Estos estudios constituyen la primera evidencia experimental de la formación de hidratos de metano en espacio confinado, con una estequiometría que mimetiza la naturaleza, pero con una cinética muy superior”, explica Silvestre.
El equipo de investigación internacional lo completan el profesor japonés Katsumi Kaneko, con el que el LMA está llevando a cabo el proyecto CONCERT sobre la temática del estudio, así como el profesor del Instituto de Tecnología Química de Valencia (ITQ-CSIC), Fernando Rey, con quien se realizaron las medidas en los aceleradores de ALBA y Oxford. Por último, ha participado el investigador Timmy Ramirez, que actualmente trabaja en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en USA, pero que en su momento era responsable del acelerador de neutrones de Oxford.
La base científica
Los hidratos de gas (también conocidos como clatratos) son estructuras cristalinas parecidas a una jaula donde un grupo de moléculas rodean a una molécula central de distinta naturaleza. Cuando la jaula está constituida por moléculas de agua y dentro de la cavidad hay una molécula de metano, tenemos los denominados hidratos de metano. Estos se forman en la naturaleza bajo condiciones físicas, químicas y geológicas muy específicas que solo se dan principalmente en el fondo de los océanos, y en menor medida, en el subsuelo de regiones frías como Siberia, en el conocido como permafrost. El origen del metano que da lugar a los hidratos marinos se encuentra en la descomposición térmica, microbiana y bacteriana, después de millones de años, de la materia orgánica arrastrada por las corrientes fluviales. Esto hace que las reservas de hidratos de metano se localicen en las pendientes continentales, en zonas cercanas a la costa, a profundidades del orden de los 300-500 m, donde se acumula suficiente materia orgánica y donde hay una combinación adecuada de presión y temperatura. Los hidratos de metano constituyen la mayor reserva de gas natural de la tierra, están cerca de la zona continental y se estima que sus reservas duplican todos los depósitos de combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) registrados actualmente en la tierra. Se estima que hay alrededor de 5000 gigatoneladas de metano, alrededor de 500 veces la cantidad de carbono que se libera al quemar carbón, petróleo y gas natural en un año. En 2013 se hizo en Japón la primera exploración con éxito para la extracción de metano a partir de la despresurización de los depósitos marinos y se estima que esta tecnología esté disponible en 2018.
La fórmula nominal del hidrato es (CH4)4(H2O)23 o un mol de metano por cada 5.75 moles de agua, correspondiente al 13.4 % de metano en peso (un metro cúbico de hidrato libera 180 metros cúbicos de metano, el principal componente del gas natural). La elevada densidad energética de los hidratos y su estabilidad a temperaturas superiores al gas natural líquido (-2ºC vs -162ºC) permite vislumbrar los hidratos de metano como solución de futuro para el transporte de metano en grandes plataformas y a largas distancias, siempre y cuando se puedan preparar de forma sintética mimetizando la naturaleza pero en un escala de tiempo razonable (en cuestión de minutos).
Fuente: UA