Если вы когда-нибудь  зажигали газ на кухонной плите или видели, как поворот ручки высекает живой оранжевый огонек, вы уже имели дело с природным газом. Но то, что легко сделать на кухне, в промышленных масштабах превращается в сложнейшую задачу. Сейчас газ хранят либо под огромным давлением в баллонах, либо охлаждают до минус 162 градусов, превращая в жидкость. Оба способа требуют много энергии и стоят дорого.

Ученые давно искали альтернативу. Одна из идей — так называемый «твердый газ»: когда метан, главная составляющая природного газа, запирается внутри ледяных кристаллических клеток, напоминающих по структуре лед. Такие соединения называют гидратами. Но вот незадача: в обычных условиях эти гидраты растут мучительно медленно, и для больших объемов это совершенно непрактично.

Газовый гидрат (или «твердый газ») — это не химическое соединение в привычном смысле, а физическая „ловушка“ на молекулярном уровне. Представьте себе трехмерную сетку из молекул воды, которая замерзает не в обычный хаотичный лед, а в строго упорядоченную кристаллическую решетку, похожую на клетку. Внутри этой клетки оказывается запертой молекула газа, например метана. Визуально это напоминает кубик льда, который почему-то горит, если поднести к нему спичку. Главное свойство таких гидратов — они стабильны при низких температурах и относительно невысоком давлении. В природе они встречаются на дне океана и в вечной мерзлоте.

Команда исследователей из Национального университета Сингапура под руководством профессора Правина Линги нашла простой и элегантный выход. Они добавили во воду аминокислоты — те самые «кирпичики», из которых строятся все белки в нашем организме. Результаты они опубликовали в журнале Nature Communications.

Способ оказался до гениальности простым: воду смешивают с небольшим количеством аминокислот, замораживают, а потом получившийся лед помещают в среду с метаном. И тут начинается магия. Вместо того чтобы долгие часы ждать образования гидрата, ученые увидели, что лед начинает стремительно превращаться в пухлую белую массу — верный признак того, что газ надежно «заперт» внутри. Всего за две с лишним минуты такой материал достигал 90 процентов своей вместимости. Обычный лед в таких же условиях за то же время впитывает в 30 раз меньше газа.

В чем тут секрет? Аминокислоты меняют поверхность льда. Те, которые не любят воду (гидрофобные), например триптофан, создают на поверхности крошечные жидкие прослойки, когда в систему подают метан. Эти прослойки становятся идеальной питательной средой для быстрого роста кристаллов гидрата. В итоге внутри формируется пористая, губчатая структура, куда газ проникает свободно и быстро. Обычный же лед, напротив, при контакте с газом быстро покрывается плотной коркой, которая сама же блокирует дальнейшее проникновение молекул метана внутрь.

Чтобы убедиться, что происходит на молекулярном уровне, исследователи применили метод рамановской спектроскопии — по сути, они «подсветили» образцы лазером и проанализировали, как рассеивается свет от вибрирующих молекул. Эксперимент показал, что метан заполняет оба типа микроскопических „карманов“ внутри гидратной структуры с эффективностью больше 90 процентов. Доктор Е Чжан, ведущий автор работы, пояснил:

Это прямое доказательство того, что аминокислоты не просто ускоряют процесс, но и позволяют упаковать газ очень плотно.

Ученые перепробовали разные аминокислоты и выявили четкое правило. Лучше всего работают те, что отталкивают воду: метионин, лейцин, триптофан. А вот те, что воду притягивают (гистидин, аргинин), оказались практически бесполезны. Профессор Линга отмечает, что это открытие задает направление для будущих разработок: теперь можно осознанно подбирать добавки, чтобы настроить лед под нужные задачи.

Пока что технология существует в виде лабораторного прототипа, но результаты впечатляют. При умеренном давлении и температуре, близкой к нулю, этот «аминокислотный» лед работает быстрее и эффективнее, чем самые современные пористые материалы, которые тоже используют для хранения газа — например, металлоорганические каркасные структуры или цеолиты. Причем, в отличие от систем с химическими поверхностно-активными веществами (по сути, моющими средствами), здесь нет проблем с пенообразованием, когда газ выпускают обратно. А пена в промышленных масштабах — это головная боль, она мешает оборудованию работать стабильно.

Но, пожалуй, самое важное — систему можно использовать снова и снова. Достаточно слегка нагреть гидрат, чтобы выпустить газ, а оставшийся раствор с аминокислотами снова заморозить — и лед готов к новому циклу. Получается такой «аккумулятор» для газа: зарядили — заперли метан, разрядили — выпустили.

Это делает технологию привлекательной не только для гигантских газовых хранилищ, но и для небольших, распределенных источников биометана. Его получают, например, на фермах из отходов. Для таких объемов строить дорогущие установки для сжижения газа или мощные компрессоры просто нерентабельно. А тут — дешево, сердито и экологично. К тому же аминокислоты со временем разлагаются без вреда для природы, в отличие от той же «химии», которую используют сейчас для ускорения процессов.

В планах команды — масштабировать процесс, придумать реакторы, где газ, лед и вода будут контактировать максимально эффективно, а также проверить, как технология работает с реальной газовой смесью (не чистым метаном, а с примесями этана и пропана). И конечно, они смотрят в сторону других газов — например, углекислого газа или водорода. Профессор Линга резюмирует: природный газ и биометан сегодня важная часть энергобаланса, но их хранение до сих пор опиралось на методы дорогие или углеродоемкие. А их подход — простой, биоразлагаемый, быстрый и многоразовый — может сделать хранение газа безопаснее, чище и гибче.

Для науки это открытие — как отмычка в замке. До сих пор главной проблемой газовых гидратов была кинетика: процесс знали, как он устроен, понимали, но не могли заставить его идти достаточно быстро для реальных применений. А тут оказалось, что ключ лежал буквально на поверхности — в свойствах аминокислот, которые изменяют структуру льда. Это дает толчок целому направлению: вместо того чтобы искать сложные химические катализаторы, можно «настраивать» физику поверхности льфа, используя природные молекулы. Наука получает не просто рецепт, а понимание принципа: гидрофобные аминокислоты создают „жидкие окна“ во льду. Это знание можно применить и к другим системам, где нужно управлять массопереносом через твердую фазу.

Для жизни польза может быть огромной, хотя и неочевидной на первый взгляд. Речь не только о хранении природного газа. Есть два сценария, которые делают эту технологию прорывной в бытовом и промышленном смысле.

• Во-первых, это биометан. Сейчас газ, который получают из отходов на фермах или свалках, часто просто сжигают, потому что его невыгодно хранить и транспортировать. Новая технология позволяет «законсервировать» его в компактной и безопасной форме прямо на месте.
• Во-вторых, это безопасность. Гидраты горят гораздо хуже, чем сжатый газ, и не взрываются при разгерметизации. Представьте вместо баллонов с газом под давлением — твердые белые брикеты, которые можно возить на обычных грузовиках.
• И наконец, если технологию удастся адаптировать под водород или углекислый газ, мы получим экологичный способ улавливать выбросы или хранить водородное топливо, которое сейчас тоже требует либо безумного давления, либо криогенных температур.

Однако исследование пока остается на уровне лабораторного доказательства концепции. Главное, что вызывает вопросы — это промышленная масштабируемость и энергетический баланс.

Да, процесс образования гидрата ускорился в сотни раз. Но сам этап «замораживания воды с аминокислотами» требует энергии. В лаборатории это не проблема, но если мы говорим о тысячах кубометров газа, то замораживание больших объемов воды — само по себе энергозатратный процесс. В статье не приводится сравнение: сколько энергии мы тратим на создание „аминокислотного льда“ и сколько экономим на отказе от высокого давления или глубокого охлаждения по сравнению с традиционными методами. Без этого анализа нельзя утверждать, что метод действительно „менее энергозатратен“ в глобальном цикле „зарядки“ и „разрядки“ гидрата.

Также остается открытым вопрос стабильности аминокислот при многократных циклах заморозки-разморозки. Да, они биоразлагаемы — это плюс для экологии, но в замкнутом цикле хранения мы хотим, чтобы они работали годами, не теряя своих свойств. Биоразлагаемость в этом контексте может стать минусом, если со временем молекулы начнут разрушаться из-за механических или термических нагрузок. В публикации нет данных о том, сколько циклов «заряд-разряд» выдерживает система без потери эффективности.

Ранее ученые выяснили, как таяние мерзлоты раскручивает климатическую спираль.