Wat is een clathraat?
Een clathraat is een type hydraat of waterverbinding, waarin moleculen van een andere stof gevangen zitten in een kooi-achtige structuur die bestaat uit watermoleculen. Het gevangen molecuul is meestal een gas bij normale druk en temperatuur. Clathraten zijn ijsachtige vaste stoffen die zich meestal vormen bij hoge drukken en lage temperaturen. Een van de bekendste en meest bestudeerde is een methaanhydraat dat van nature voorkomt in grote afzettingen onder de zeebodem in veel delen van de wereld. Dit kan een potentiële energiebron zijn, maar er is ook bezorgdheid dat een plotselinge afgifte van grote hoeveelheden clathraatmethaan, misschien ingegeven door de opwarming van de aarde, rampzalig kan zijn.
De basiseenheid van de meeste clathraten is een dodecaëder samengesteld uit 20 watermoleculen die zijn gerangschikt om 12 vijfhoekige vlakken te vormen, met een hol centrum dat kan worden ingenomen door een 'gastmolecuul'. De structuur wordt in wezen bijeengehouden door waterstofbruggen tussen de watermoleculen, maar gestabiliseerd door de gastmoleculen. Omdat de dodecaëders niet samen kunnen worden verpakt om alle beschikbare ruimte te vullen, treden ook andere polyedrische vormen op, zodat een rooster wordt gevormd. Vanwege deze variatie in de vormen van de kooi en het feit dat niet alle kooien noodzakelijkerwijs bezet zijn, kunnen clathraten geen precieze chemische formules krijgen. Clathraat gastmoleculen kunnen koolwaterstofgassen zijn, zoals methaan of ethaan, zuurstof, stikstof en koolstofdioxide.
Methaanhydraat is de clathraatverbinding die de meeste interesse heeft gewekt. Deze verbinding komt in grote hoeveelheden voor op verschillende locaties rond de randen van alle continenten en in de permafrostregio's van Siberië en Alaska. Geschat wordt dat deze afzettingen de grootste reserve van koolwaterstoffen op aarde vormen, veel meer dan bekende reserves van steenkool, olie en aardgas. Men denkt dat ze zijn gevormd uit methaan dat is geproduceerd door microbiële activiteit in de anaërobe omstandigheden in sedimenten net onder het oppervlak van de zeebodem of op land waar de temperaturen voldoende laag zijn. Zelfs in tropische gebieden zijn de zeebodemtemperaturen laag genoeg voor clathraatvorming, waar de druk hen in staat stelt om op enkele graden boven het vriespunt te stollen.
Gezien de enorme hoeveelheden methaan die in deze afzettingen zijn opgeslagen, worden ze beschouwd als een potentiële bron van aardgas. Er kunnen echter ernstige technische problemen zijn bij de extractie die het oneconomisch maken. De Sovjetunie heeft in de jaren zestig en zeventig een aantal mislukte pogingen gedaan om gas te winnen uit Siberische permafrost-clathraatafzettingen. Er is ook bezorgdheid dat de methoden die worden gebruikt om het ingesloten gas vrij te geven de afzettingen kunnen destabiliseren, wat mogelijk zou kunnen leiden tot bodemdaling en aardverschuivingen.
Hoewel clathraatafzettingen een enorme onaangeboorde energiebron kunnen vormen, kunnen ze ook een ernstig gevaar vormen. Ze zijn niet stabiel buiten de temperatuur- en drukomstandigheden waar ze zich voordoen en er is bezorgdheid dat de opwarming van de aarde ze instabiel kan maken. Dit vormt een dubbele bedreiging.
Ten eerste kan het smelten van clathraatijs gemengd met sedimenten aan de continentale randen leiden tot enorme aardverschuivingen en de daaruit voortvloeiende tsunami's. Er zijn aanwijzingen uit het relatief recente geologische verleden dat dit mogelijk is gebeurd voor de kust van Noorwegen. Ten tweede is methaan een krachtig 'broeikasgas' dat warmte nog sterker in de atmosfeer opneemt dan koolstofdioxide. De plotselinge afgifte van grote hoeveelheden van dit gas kan de opwarming van de aarde versnellen, wat op zijn beurt verdere destabilisatie kan veroorzaken. Nogmaals, er is geologisch bewijs dat dit in het verleden mogelijk is gebeurd door natuurlijke processen en vanaf 2011 is er met name bezorgdheid over methaanhydraat in permafrostafzettingen.