Ein Clathrat ist eine Art Hydrat oder eine Wasserverbindung, bei der Moleküle einer anderen Substanz in einer käfigartigen Struktur aus Wassermolekülen eingeschlossen sind. Das eingeschlossene Molekül ist normalerweise ein Gas bei Normaldruck und -temperatur. Clathrate sind eisähnliche Feststoffe, die sich im Allgemeinen bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen bilden. Zu den bekanntesten und am besten untersuchten gehört ein Methanhydrat, das in vielen Teilen der Welt in großen Ablagerungen unter dem Meeresboden natürlich vorkommt. Diese können eine potenzielle Energiequelle sein, aber es gibt auch Bedenken, dass eine plötzliche Freisetzung großer Mengen von Clathratmethan, möglicherweise ausgelöst durch die globale Erwärmung, katastrophal sein könnte.
Die Grundeinheit der meisten Clathrate ist ein Dodekaeder, das aus 20 Wassermolekülen besteht, die zu 12 fünfeckigen Flächen angeordnet sind, mit einem hohlen Zentrum, das von einem „Gastmolekül“ besetzt werden kann. Die Struktur wird im Wesentlichen durch Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen zusammengehalten, aber durch die Gastmoleküle stabilisiert. Da die Dodekaeder nicht zusammengepackt werden können, um den gesamten verfügbaren Raum auszufüllen, treten auch andere polyedrische Formen auf, so dass ein Gitter gebildet wird. Aufgrund dieser Variation der Käfigformen und der Tatsache, dass nicht alle Käfige notwendigerweise besetzt sind, können Clathrate keine genauen chemischen Formeln gegeben werden. Clathrat-Gastmoleküle können Kohlenwasserstoffgase wie Methan oder Ethan, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid sein.
Methanhydrat ist die Clathratverbindung, die das meiste Interesse geweckt hat. Diese Verbindung kommt in großen Mengen an verschiedenen Orten an den Rändern aller Kontinente und in den Permafrostgebieten Sibiriens und Alaskas vor. Es wurde geschätzt, dass diese Lagerstätten die größten Kohlenwasserstoffreserven auf dem Planeten darstellen und die bekannten Reserven an Kohle, Öl und Erdgas weit übersteigen. Es wird angenommen, dass sie sich aus Methan gebildet haben, das durch mikrobielle Aktivität unter anaeroben Bedingungen in Sedimenten knapp unter der Meeresoberfläche oder an Land, wo die Temperaturen ausreichend niedrig sind, produziert wurde. Selbst in tropischen Regionen sind die Meeresbodentemperaturen niedrig genug für die Bildung von Clathrat, wo sie durch den Druck einige Grad über dem Gefrierpunkt erstarren.
Angesichts der riesigen Mengen an Methan, die in diesen Lagerstätten gespeichert sind, gelten sie als potenzielle Erdgasquelle. Bei seiner Gewinnung kann es jedoch zu ernsthaften technischen Schwierigkeiten kommen, die es unwirtschaftlich machen. Die Sowjetunion unternahm in den 1960er und 1970er Jahren mehrere erfolglose Versuche, Gas aus sibirischen Permafrost-Klatratvorkommen zu gewinnen. Es besteht auch die Besorgnis, dass die Methoden zur Freisetzung des eingeschlossenen Gases die Lagerstätten destabilisieren könnten, was möglicherweise zu Absenkungen und Erdrutschen führen könnte.
Obwohl Clathratvorkommen eine riesige ungenutzte Energieressource darstellen können, können sie auch eine ernsthafte Gefahr darstellen. Sie sind außerhalb der Temperatur- und Druckbedingungen, in denen sie auftreten, nicht stabil, und es besteht die Sorge, dass die globale Erwärmung sie instabil machen könnte. Dies stellt eine doppelte Bedrohung dar.
Erstens könnte das Schmelzen von Clathrat-Eis vermischt mit Sedimenten an Kontinentalrändern zu massiven Erdrutschen und daraus folgenden Tsunamis führen. Es gibt Hinweise aus der relativ jungen geologischen Vergangenheit, dass dies vor der Küste Norwegens passiert sein könnte. Zweitens ist Methan ein starkes „Treibhausgas“, das die Wärme noch stärker in der Atmosphäre einfängt als Kohlendioxid. Die plötzliche Freisetzung riesiger Mengen dieses Gases könnte die globale Erwärmung beschleunigen, was wiederum zu einer weiteren Destabilisierung führen könnte. Auch hier gibt es geologische Hinweise darauf, dass dies in der Vergangenheit durch natürliche Prozesse passiert sein könnte, und seit 2011 gibt es besondere Bedenken hinsichtlich Methanhydrat in Permafrostablagerungen.