Гигантские огненные вихри помогут ликвидировать разливы нефти

Нефтяные пятна остаются одной из самых серьезных угроз для Мирового океана. Морские экосистемы ощущают на себе губительные последствия топливных разливов десятки лет. При этом известные методы борьбы с этой углеводородной напастью либо недостаточно эффективны, либо порождают новые проблемы, например, ядовитую сажу и токсичные осадки.


Именно поэтому научная команда из Техасского университета предложила радикальный подход: использовать для сжигания нефтяных пятен… гигантские огненные вихри. Но действительно ли пламя, закрученное в смерч, способно справиться с тем, что не под силу обычному пожару?

Традиционные методы не работают

Океаны планеты ежедневно подвергаются множеству опасностей, однако разливы углеводородов занимают среди них особое место. Попадая в воду, нефть растекается тонкой пленкой, проникает в донные отложения и наносит непоправимый урон морским обитателям. Достаточно вспомнить катастрофу на платформе Deepwater Horizon в 2010 году в Мексиканском заливе. Тогда взрыв на вышке привел к крупнейшему в истории разливу нефти в море. Погибло 11 человек, было уничтожено бесчисленное множество животных, а морские экосистемы были разрушены настолько, что последствия ощущаются и по сей день.



Спасатели, прибывающие на место аварии, постоянно сталкиваются с мучительным выбором: позволить нефти беспрепятственно растекаться или попытаться сжечь ее прямо на поверхности воды. Сжигание на месте действительно помогает замедлить распространение пятна и частично очистить акваторию, однако у этого приема есть серьезные недостатки. В процессе горения образуются густые клубы черного дыма, в воздух выбрасывается токсичная сажа, а на воде остается неприятный осадок из несгоревших остатков. То есть классическое выжигание нефти лишь заменяет одну проблему на другую.

Именно эта дилемма заставила ученых искать более совершенный способ утилизации нефтяных пятен. Инженеры и экологи понимали: если удастся заставить топливо гореть значительно горячее и эффективнее, можно будет не только уничтожить большую часть разлива, но и резко сократить объем вредных выбросов. Но как добиться такого сверхинтенсивного пламени в открытом море, где ветер и волны постоянно пытаются погасить огонь? Ответ неожиданно пришел из области аэродинамики и физики горения.

Радикальный инструмент очистки

Группа исследователей под руководством аэрокосмического инженера Элейн Оран предложила использовать для ликвидации разливов не просто огонь, а огненные торнадо. В отличие от традиционного метода, где пламя распространяется горизонтально по поверхности воды, в вихре оно устремляется вертикально вверх. Закрученный поток воздуха действует как естественный насос: он втягивает в зону горения огромное количество кислорода, за счет чего температура резко возрастает, а процесс окисления углеводородов становится почти полным.


— Элейн Оран.

Чтобы проверить свою гипотезу в реальных условиях, команда провела серию полевых испытаний. Для экспериментов соорудили бассейн шириной полтора метра, заполненный сырой нефтью. Вокруг него установили три стены высотой пять метров, которые должны были помочь сформировать устойчивый вихрь. Такая установка позволяла моделировать процесс в масштабе, достаточном для первых серьезных замеров.



Ученые сравнивали поведение огненных торнадо с обычным горизонтальным горением при разных ветровых условиях. Оказалось, что вертикальные вихри действительно демонстрируют впечатляющие результаты: пламя в них поднимается почти вдвое выше, а тепловая энергия гораздо эффективнее передается через всю толщу нефтяного пятна. Иными словами, огненный смерч прогревает разлив намного равномернее, чем традиционный пожар, что критически важно для полноты сгорания.

От лаборатории до реальной ситуации

Результаты замеров превзошли ожидания. Температура внутри огненного вихря достигает примерно 1000 °C, тогда как обычное пламя на водной поверхности прогревается лишь до 700 градусов. Таким образом, вихревые горелки могут повысить скорость выгорания нефти до 40%. Одновременно с этим выбросы сажи, главного токсичного компонента дыма, снижаются также на 40%.

Кроме того, огненный смерч уничтожает до 95% разлитой нефти. Маслянистый опасный осадок не остается.

Правда, таких блестящих результатов можно добиться далеко не всегда: эффективность вихря сильно зависит от внешних условий. Например, слишком толстый слой нефти или сильный боковой ветер могут привести к преждевременному затуханию пламени. Более того, повышенная производительность огненных торнадо в ходе экспериментов была получена только в безветренную погоду.



Поэтому исследователи резонно признают: от лаборатории до реального применения надо будет проделать большую работу. Ведь стены, окружавшие экспериментальный бассейн, были необходимы для формирования вихря, но одновременно они могли слишком сильно ограничивать его развитие. Возможно, эти преграды снижали приток кислорода, усиливали влияние ветра или физически мешали распространению пламени.

Кроме того, воспроизвести в лаборатории или даже в полевом лагере условия открытого океана с его гигантскими размерами и постоянной турбулентностью практически невозможно.

И тем не менее сама идея использования управляемых огненных смерчей для защиты океана уже получила признание в научном сообществе. Исследование было опубликовано в авторитетном журнале Fuel.