گاز متان که از اجزای اصلی گاز طبیعی است، یکی از فراوان‌ترین ترکیبات آلی روی زمین است. این گاز مانند سایر سوخت های فسیلی قابل استخراج، ذخیره و استفاده برای گرمایش ساختمان‌ها، تأمین انرژی وسایل نقلیه گاز طبیعی، پخت غذا و بسیاری از فرآیندهای صنعتی است.
تصویر بالا، یک ماده فلزی – آلی است می‌تواند در دما و فشار متوسط، متان را با راحتی بیشتر ذخیره و آزاد کند. اعتبار: جیل هممان / ORNL
با این حال، حمل و ذخیره گاز طبیعی می‌تواند دشوار، گران و خطرناک باشد. روش‌های متداول توزیع و ذخیره سازی گاز طبیعی شامل سیستم‌های خط لوله طولانی و گران‌قیمت یا فشرده‌سازی گاز در مخازن قابل حمل تقویت‌شده در حدود ۳۰۰۰ پوند بر اینچ مربع (psi) – که تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر از فشار در یک تایر ماشین است – یا متراکم کردن گاز به یک مایع در ظروف برودتی است که دارای انرژی زیادی هستند زیرا این امر به حفظ درجه حرارت کم تا منفی ۱۶۲ درجه سانتی‌گراد (۲۶۰ درجه فارنهایت) نیاز دارد.
تولید مواد جدید برای ذخیره سازی متان در وسایل نقلیه و اشاره‌ای بسیار کمتر و در دمای بالاتر می‌تواند دانشمندان و مهندسان را در رسیدن به اهداف وزارت انرژی (DOE) برای تأمین سوخت نسل بعدی خودروهای دارای انرژی پاک کمک کند.
این ماده باعث رشد سریع هیدرات‌های متان در فشار نسبتاً پایین می‌شود
اکنون دانشمندانی از اسپانیا، مراکش، عربستان سعودی و آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) وزارت انرژی از پراکندگی نوترون برای شناسایی و توصیف ماده‌ای استفاده کرده‌اند که می‌تواند با ایمنی بیشتری متان را ذخیره و آزاد کند و با هزینه‌ای مؤثرتر به‌صورت بلوری مانند یخ در دما و فشار متوسط تشکیل می‌شود. نتایج این تحقیق در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد.
این ماده بلوری شکل، یک ماده متشکل از ساختار متخلخل فلزی – آلی (Metal – Organic) است که به آن Cr – soc – Metal – Organic -۱ گفته می‌شود و توانایی جذب تقریباً دو برابر وزن گاز در آب را دارد. محققان دریافتند که این ماده باعث رشد سریع هیدرات‌های متان (یک مولکول متان CH4 که توسط مولکول های آب به هم پیوسته محصور می‌شود) در فشار نسبتاً پایین حدود ۴۰۰ پوند بر اینچ مربع و در دمای حدود ۳ درجه سانتی‌گراد (۳۷ درجه فارنهایت) می‌شود. روش‌های متداول ذخیره سازی متان در مواد مشابه معمولاً به فشارهایی تا ۱۴۰۰ پوند بر اینچ مربع نیاز دارند. این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که متان به دام افتاده می‌تواند در یک محدوده فشار کم استخراج و آزاد شود، که می‌تواند سیستم‌های ذخیره سازی متان را از پیچیدگی و مقرون به صرفه تری برخوردار سازد.
دانشمندان نشان دادند که میزان متان هیدراته جامد جذب‌شده در فشار پایین تقریباً ۵۰ درصد بیشتر از گاز متان خشک با ۱۴۰۰ پوند بر اینچ مربع است. Cr – soc – Metal – Organic – ۱ می‌تواند مقادیر زیادی از متان را در خود نگه دارد زیرا بسیار متخلخل است که در صورت کشیده شدن فقط یک گرم ماده (تقریباً برابر با وزن یک آب‌نبات ساده M&M) سطح کافی برای پوشش تقریباً یک کل زمین فوتبال را خواهد داشت.
دستگاه‌های ذخیره سازی متان در آینده می‌توانند در فشار کمتری کار کنند
تیم رامیرز کوئستا که خود وی سرپرست تیم طیف‌سنجی شیمیایی ORNL نیز است، در این باره گفت:
مقدار متان این ماده فلزی – آلی می‌تواند در پوند بر اینچ مربع نسبتاً کمی ذخیره شود که کمتر از یک‌چهارم مقدار تولیدشده توسط واشرهای فشار سبک است. این موضوع بسیار قابل توجه است. با کاهش دمای بیشتر فلزی – آلی حتی به حدود منفی ۶٫۶ درجه سانتی‌گراد (۲۰ درجه فارنهایت)، متان در اشاره‌ای پایین‌تر نیز در ماده فلزی – آلی ذخیره می‌شود.
رامیرز کوئستا افزود که فرآیند جذب گاز می‌تواند معکوس شود تا متان به‌سادگی با افزایش چند درجه حرارت یا کاهش فشار آزاد شود. وی در مورد این موضوع گفت:
دامنه فشار کم بین تشکیل هیدرات متان در داخل ماده فلزی – آلی و انتشار آن نشان می‌دهد که دستگاه‌های ذخیره سازی متان در آینده می‌توانند در فشار کمتری کار کنند که این امر اجازه می‌دهد از سیستم‌های مهار با هزینه کمتری استفاده شود.
سیستم‌های ذخیره سازی سبک‌تر، قابل اطمینان تر و مقرون به صرفه می‌توانند استفاده از گاز طبیعی به‌عنوان یک سوخت را در وسایل نقلیه بیشتری تسهیل کنند. مخزن وسایل نقلیه جایی که وزن، ایمنی و هزینه در آن مهم است. ذخیره سوخت روی یک وسیله نقلیه به شکل جامد بلوری یک هیدرات متان همچنین می‌تواند نگرانی صنعت و مصرف‌کنندگان را در مورد اشتعال‌پذیری متان در اشکال گازی و مایع برطرف کند.
این روش می‌تواند استفاده از گاز طبیعی به‌عنوان یک سوخت را در وسایل نقلیه بیشتری تسهیل کند
خوراکین سیلوستر البرو که استاد تمام دانشگاه آلیکانته اسپانیا است، در این باره گفت:
ما از پراکندگی نوترون در دستگاه طیف‌سنج ارتعاشی ویژن در منبع نوترون جوشش ORNL استفاده کردیم تا اولین شواهدی را از تشکیل هیدرات‌های متان در منافذ یک ماده فلزی – آلی به دست آوریم. به نظر می‌رسد مواد Cr – soc – Metal – Organic – ۱ دارای یک حفره بهینه یا اندازه کافی محفظه برای جداسازی نانو کریستال‌های هیدرات متان در یک کریستال درون حفره هستند.
برای ساده کردن فرآیند تشکیل بلورهای هیدرات متان مانند یخ، ماده فلزی – آلی ابتدا با آب بارگیری و خنک شده است و سپس در معرض متان قرار گرفته است. این ماده تحت فشار بارگیری می‌شود و به شما کمک می‌کند تا متان را به داخل حفره‌های داخلی مواد هدایت کنید و به نگه‌داشتن مولکول های متان در داخل منافذ ماده فلزی – آلی کمک می‌کند. سپس نمونه‌ای از ماده فلزی – آلی تحت طیف‌سنجی نوترونی قرار می‌گیرد. این روشی برای اندازه‌گیری حرکت اتمی اتم ها است.
این روش می‌تواند به ذخیره سازی متان تولیدشده توسط حیوانات مزرعه، محل‌های دفن زباله و استخراج نفت کمک کند
یونگ کیانگ چنگ که دانشمند مربوط به پراکندگی نوترون ORNL است، در این مورد گفت:
امضای طیف‌سنجی مولکول های چرخشی که در داخل منافذ به دام افتاده‌اند توسط دوربین نوترونی کاملاً استخراج شده است. فقط طیف‌سنجی نوترونی می‌توانست چنین شواهد آزمایشی مستقیمی از مولکول های متان به دام افتاده و چرخانده شده در قفس‌های فلزی – آلی فراهم کند.
شناسایی روش ذخیره سازی متان مقرون به صرفه می‌تواند کاربردهای گسترده‌تری برای انرژی‌های تجدیدپذیر داشته باشد مانند گرفتن متان تولیدشده توسط حیوانات مزرعه، محل‌های دفن زباله و استخراج نفت که بیشتر آن در حال حاضر در جو آزاد می‌شود. گاز متان یک گاز گلخانه‌ای قوی است.
این تحقیق توسط آرامکو عربستان سعودی، دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله، مینکو جنرالیت والنسیانا و دفتر علوم وزارت انرژی پشتیبانی شد. منابع محاسباتی آن از طریق پروژه‌های ویرتوئس و آیس من که توسط برنامه تحقیق و توسعه آزمایشگاهی ORNL و بخش محاسبه و محیط داده علوم (CADES) تأمین می‌شود، در دسترس قرار گرفت.
نظرات