Thermodynamic stability of methane-carbon dioxide hydrate and ejection of methane on the Mars

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17K19106
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Physical chemistry, Functional solid state chemistry, and related fields
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Tanaka Hideki 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (80197459)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2020-03-31
• Keywords: クラスレートハイドレート / メタン / 二酸化炭素

Outline of Final Research Achievements

In this study, a method was developed to evaluate the thermodynamic stability of clathrate hydrates to host waters and guest species. This allows us to investigate the complete phase behavior of clathrate hydrates in the entire space of thermodynamic variables, including composition as well as temperature and pressure, with only intermolecular interactions as input parameters. This method was used to determine the complete phase diagram of the clathrate hydrate, especially the regions bounded by the hydrate/hydrate and hydrate/guest phase boundaries where the clathrate hydrate is the only stable phase. This method was applied to the methane clathrate hydrate and the dissociation pressure was found to be in good agreement with the experimental results.

Free Research Field

物理化学、理論化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

クラスレートハイドレートは、氷とは若干異なる水素結合をした籠に、二酸化炭素やメタン分子が取り込まれた非化学量論的な結晶であり、低温で導入されるゲスト気体の分圧が高い場合により安定である。火星の大気の大部分は二酸化炭素であって、また圧力は1 KPa以下であり、生成の熱力学的条件や氷との平衡は温度と圧力に敏感である。低温下でハイドレートと平衡にある状態がドライアイスである場合には平衡に到達する時間が長いために、実験室における平衡と生成解離の実験は極めて困難である。そのために、広い圧力（化学ポテンシャル）範囲の二酸化炭素と平衡にあるメタンハイドレートの正確な相挙動の理論的予測が待望されてきた。