【能源動力】會燃燒的冰!?

■外表看似冰塊燃燒能力卻異於常人的物體,究竟含有什麼秘密?

甲烷因加熱釋放而燃燒,水分溢出(美國地質調查所)。 嵌入圖:包合物結構© (Uni. Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie). 來源:美國地質調查所
甲烷因加熱釋放而燃燒,水分溢出(美國地質調查所)。
嵌入圖:包合物結構© (Uni. Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie).
來源:美國地質調查所

撰文|方程毅

「可燃冰」,一塊看起來普通卻可以燃燒的冰塊,燃燒時溫度不高,跟我們想像的燃燒物不同。究竟這玩意兒是什麼神奇的東西?它們行為機制又是什麼呢?

可燃冰其實是甲烷水合物(methane clathrate or methane hydrate),由許多水分子包覆氣態的甲烷分子,經過低溫高壓後凝固,形成一個外表像冰塊,實際上裡面裝有可燃氣體的物體。因為在特殊高壓下形成,所以回到正常壓力後釋放甲烷的體積可高達水合物本身的160倍,若周圍環境的溫壓劇烈改變更有可能引起爆炸,雖然具危險性卻是未來能源的來源之一。

甲烷水合物通常存在於兩處,一是大陸隆堆的海床下,二是極地沿岸的永凍土之下,這些地方大多低溫且高壓,能讓它們能穩定存在。

為什麼甲烷水合物會吸引科學家的注意呢?原因有三:第一:甲烷就是天然氣,是絕佳的能源,而甲烷水合物能釋放的甲烷量又遠大於本身體積,若能適當對其減壓而不讓它爆炸,所能生產的能源非常可觀;第二:它們是巨大的溫室氣體儲藏室,甲烷造成溫室效應的能力遠比二氧化碳大的多,現因全球暖化導致海平面下降,同時北極冰帽也逐漸消失,就算不去開採,這些甲烷也會慢慢釋放出來,對於人類已經很頭大的氣候變遷無疑是雪上加霜;第三:人為製造,可別以為只有大自然能生成,人為開採石油或是深入海底的管線都有可能形成甲烷水合物造成管線的堵塞甚至有爆裂的危險。

既然甲烷水合物兼具經濟價值及環境危害性,了解釋放機制便相當重要,通常它們只穩定存在於低溫高壓的環境,一旦升溫或減壓便會破裂釋放甲烷,但是科學界對於破裂釋放甲烷的機制卻不甚了解,最主要原因是因為樣品取得困難,試想甲烷水合物只能穩定存在特殊環境,因此要針對減壓破裂的機制進行研究就需要昂貴的設備嚴格控制溫壓。不過,無法進行實務研究,總還有其他方法,那就是電腦模擬。中國廈門大學、挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology)、中國地質大學及荷蘭台夫特科技大學(Delft University of Technology)便利用電腦模擬甲烷水合物的分子結構,及其在不同壓力下的狀態變化,並發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

模擬計算顯示,甲烷水合物的強度,也就是它可以忍受多少壓力變化而不破裂取決於其結晶的狀態。一般來說材料的結晶性可分為單晶、非晶、多晶三種。單晶材料內的原子都根據同一種規則排列(例如面心立方、體心立方等等);非晶材料則是相反,原子沒有固定位置隨意排列,例如玻璃;多晶則是材料內部有許多區塊,每一個區塊內的原子都有一定的排列方式,但不同區塊間排列的方向或是角度不同,每一個區塊稱為晶粒(grain),晶粒的大小便是決定甲烷水合物強度的關鍵。根據計算晶粒大小在20奈米左右時,強度最強,最不容易破裂,而大於或小於20奈米都會使強度減弱。這是人類首次具體解釋甲烷水合物破裂時的壓力與其結構的關係,雖然只是理論計算但仍極具價值。

材料強度因為晶粒大小的不同而有所改變並不只存在於這個神奇的可燃冰,金屬材料可以透過改變晶粒大小增加強度,而晶粒大小同樣也跟熱處理的溫度與壓力有關,這個現象稱為「細晶強化」。也因此科學家對於可燃冰的釋放甲烷的機制與晶粒大小有關這個現象並不感到陌生。

也正因為晶粒的大小跟形成時的溫度及壓力有關,因此若能更深入了解形成時的環境與晶粒大小的關係,或許就可以預測何處的水合物比較穩定,因為無論是地震、暴風雨、海平面高度的上升或下降,甚至是人為的鑽油行為都有可能讓甲烷水合物破裂釋放大量甲烷,甚至爆炸。執行這項研究計畫的張志良教授表示:「如果我們具備甲烷氧化物機械性質的基本認識,我們就能有效管理它們」「甲烷水合物的行為對於安全、環境與氣候變遷有著重大影響。」

原始論文:Wu, Jianyang, Fulong Ning, Thuat T. Trinh, Signe Kjelstrup, Thijs JH Vlugt, Jianying He, Bjørn H. Skallerud, and Zhiliang Zhang. "Mechanical instability of monocrystalline and polycrystalline methane hydrates." Nature Communications 6 (2015)

參考資料:

  1. Uncovering the secrets of ice that burns
  2. 泛科學 《【還能怎樣】林祥泰:甲烷可燃冰》
  3. Gas Hydrates

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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