Les hydrates de clathrate (Fig. 1) sont des structures en forme de cage de molécules d'eau qui abritent des espèces gazeuses invitées. Ils se forment lorsque le gaz interagit avec la glace dans des conditions de haute pression et de basse température, et on pense qu'ils influencent la géologie de surface et la composition des corps glacés du système solaire. Bien que l'importance des clathrates soit reconnue depuis longtemps, les études précédentes de leur formation et de leurs propriétés physiques ont principalement impliqué des calculs thermodynamiques théoriques pour des structures produites à partir de solutions d'eau pure. Dans de nouvelles recherches, Publié dans Astronomie &Astrophysique , cependant, les hydrates de clathrate de dioxyde de carbone (CO2) produits à partir de solutions salines faibles ont été étudiés. L'équipe de chercheurs, dont la doctorante Mme Emmal Safi, a utilisé la ligne de lumière de diffraction de poudre à haute résolution (I11) à Diamond Light Source pour mener une étude in situ des clathrates qui sont plus pertinents pour ceux produits dans les océans salés des lunes glacées. Les résultats indiquent des différences substantielles dans les caractéristiques de formation et les propriétés physiques des clathrates de CO2 par rapport à ceux qui se forment à partir de solutions d'eau pure. Les nouvelles découvertes peuvent être utilisées pour aider à calibrer et à informer les modèles de formation de clathrate sur Terre, et d'autres corps planétaires.

Clathrates dans le système solaire externe

La télédétection de la lune de Saturne Encelade a révélé que la glace d'eau et le CO2 sont présents à sa surface, et c'est un habitat potentiel pour la vie microbienne extraterrestre. En outre, les conditions sur cette lune - ou d'autres satellites glacés - peuvent favoriser la formation de clathrates. En effet, la libération de gaz (par exemple CO2) des clathrates putatifs a été suggérée comme source de panaches de gaz émanant de la surface d'Encelade.

La formation des clathrates influence à la fois la composition de l'océan à partir duquel ils se forment et la croûte de glace qu'ils produisent. Les propriétés physiques de ces structures sont donc des pièces importantes du puzzle de la géologie de la lune glacée. Les hydrates de clathrate, cependant, sont « notoirement difficiles à étudier en laboratoire car souvent difficiles à réaliser à la demande », explique le Dr Stephen Thompson, Scientifique principal en ligne de lumière pour I11 et co-investigateur de cette étude. Jusqu'à maintenant, des mesures expérimentales de ces clathrates dans des conditions physiques pertinentes, les conditions analogiques planétaires ont donc fait défaut. Par ailleurs, les calculs thermodynamiques généralement utilisés pour modéliser les propriétés physiques des structures peuvent être problématiques, car ils ne peuvent pas nécessairement être extrapolés aux conditions de pression et de température pertinentes.

Collaboration de longue date

Dans la nouvelle recherche, dans le cadre d'un projet de doctorat soutenu conjointement par Diamond et Keele University, les scientifiques ont utilisé une technique expérimentale spécialement développée pour mesurer les propriétés physiques des hydrates de clathrate de CO2 dans une gamme de conditions pertinentes pour les lunes glacées. Ils ont fabriqué les clathrates de CO2 en laboratoire à partir de trois solutions congelées d'epsomite (un minéral de sulfate de magnésium), dans le but de reproduire les conditions de salinité des océans sur ces satellites. Des mesures de diffraction des rayons X sur poudre synchrotron in situ des clathrates ont ensuite été effectuées sur I11 alors que la température des échantillons était cyclée entre 90 et 250 K, dans la plage de pression de 5 à 20 bars. La ligne de lumière I11 a été choisie en raison de sa haute résolution simultanée, livraison de gaz in situ, température variable, et des capacités de mesure rapides. Les données résultantes permettent ainsi de sonder la structure cristalline des clathrates en fonction de la température, pression, et la salinité.

Le succès de ces expérimentations est « particulièrement excitant pour l'équipe », dit le Dr Thompson, car « il s'agit de la dernière étape d'une collaboration de longue date entre Diamond et l'Université de Keele qui remonte à 2010 ». Par exemple, l'application des cellules à gaz à haute pression et la procédure expérimentale utilisée dans ce travail sont le produit de la recherche menée par le Dr Sarah Day pendant son doctorat à l'Université Diamond et Keele (le Dr Day est maintenant un scientifique principal de l'I11 et un co-auteur de ce papier).

Rôle de la salinité

Les résultats expérimentaux indiquent que la formation de clathrate de CO2 se produit à des températures plus basses dans les solutions d'epsomite que dans les équivalents de glace d'eau pure. Les données aussi, de façon inattendue, montrent que le polymorphe hexagonal de la glace est dominant tout au long des expériences, même si la forme cubique est plus stable thermodynamiquement à basse température. L'équipe attribue cela à la présence d'epsomite dans les solutions. Les résultats révèlent en outre que la densité des clathrates dépend de la pression et de la température, et qu'ils ont une densité plus élevée que les solutions à partir desquelles ils se forment. Les clathrates de CO2 vont ainsi couler, plutôt que de monter, dans un océan salé et ne peut donc pas contribuer directement à la formation des panaches de gaz d'Encelade.

Implications et travaux futurs

Ce travail met en évidence le besoin de données expérimentales dans l'étude des clathrates dans des conditions physiquement pertinentes. De telles observations sont nécessaires, en plus des modèles théoriques, pour bien comprendre ces structures et évaluer leur potentiel sur Terre en tant que source de combustible (par exemple les clathrates de méthane) ou pour la séquestration du carbone. Dans le cadre de leurs travaux en cours, l'équipe mènera bientôt des expériences similaires sur I11 pour examiner les propriétés physiques des hydrates de clathrate de méthane formés dans des solutions de sulfate d'ammonium, qui sont pertinents pour l'étude de Titan, La plus grosse lune de Saturne.