В напряженные часы после разлива нефти в открытом море спасателям приходится принимать разрушительное решение: позволить нефти распространяться или поджечь ее. При воспламенении образуется очаг возгорания, который предотвращает распространение нефти и отравление морских экосистем, но это обходится дорого. Густой черный дым поднимается в небо, токсичная сажа попадает в атмосферу, а на поверхности океана остается слой несгоревшего осадка.

В ходе первого в своем роде крупномасштабного эксперимента исследователи разработали более чистое и быстрое решение для очистки нефтяных разливов: мощные огненные вихри или торнадообразные языки пламени, которые вращаются вверх, а не распространяются в стороны.

Результат этого неожиданного поворота? Вращающийся вихрь действует как естественный турбокомпрессор, всасывая кислород и создавая пламя, которое горит жарче, быстрее и гораздо эффективнее, чем огонь в бассейне. Еще более поразительно то, что огненный вихрь произвел на 40% меньше сажи и съел до 95% топлива, оставив после себя гораздо меньше вредных частиц и токсичных остатков.

Работу возглавляют доктор Элейн Оран и доктор Циншэн Ван из Техасского университета A&M, а также доктор Майкл Голлнер из Калифорнийского университета в Беркли. Их статья опубликована в журнале Fuel.

Новая эра защиты окружающей среды

Создавая и контролируя масштабные огненные вихри, команда внедряет нетрадиционный, инновационный подход и разрабатывает новое, сложное оружие в борьбе с разливами нефти.

Катастрофа на платформе Deepwater Horizon в 2010 году — крупнейший разлив нефти в морской акватории США в истории, унесший жизни 11 рабочих, унесший жизни тысяч морских животных и опустошивший океанические экосистемы, — является наглядным напоминанием о том, как быстро разливы нефти могут перерасти в экологические катастрофы.

«Мы изучаем экологические катастрофы, такие как разливы нефти, и определяем способы их ликвидации более быстрыми, экологичными и устойчивыми методами», — сказал Оран.

Самое очевидное преимущество огненных вихрей? Скорость.

Они способны превратить медленную, лихорадочную гонку по ликвидации разливов нефти в оперативную операцию по поиску и уничтожению, которая позволит устранить нефтяные пятна до того, как они достигнут чувствительных и охраняемых морских местообитаний.

«Огненные вихри сжигают разливы сырой нефти почти вдвое быстрее, чем очаги возгорания на месте, что потенциально позволяет бригадам по очистке быстрее реагировать и предотвращать распространение нефти», — сказал Оран.

Исследование также указывает на будущее с более чистым небом и воздухом. «Одна из самых больших проблем при сжигании разливов нефти — это огромный объем выделяемого дыма», — сказал Оран. «Наши результаты показывают, что огненные вихри, по сравнению с пожарами на месте, значительно сокращают общие выбросы».

Действуя подобно гигантской печи для сжигания отходов, огненные вихри уничтожают частицы, образующие густые дымовые шлейфы, тем самым снижая экологические издержки аварийного сжигания и испаряя почти всю нефть, прежде чем она сможет превратиться в токсичную смолу на поверхности океана.

Помимо разливов нефти, физические явления, наблюдаемые при изучении огненных вихрей, могут изменить подход инженеров к проектированию высокоэффективных систем сгорания и даже дать пожарным новые возможности в прогнозировании и контроле лесных пожаров на суше.

«Наше исследование имеет универсальное применение, — сказал Оран. — Понимая физические законы, управляющие огненными вихрями, мы можем использовать их силу не только для ликвидации разливов нефти».

Укрощение 17-футового огненного гиганта

Большая часть знаний ученых об огненных вихрях — ужасающих вращающихся столбах при лесных пожарах — получена в результате мелкомасштабных лабораторных экспериментов. Но чтобы решить такую ​​масштабную проблему, как разлив нефти в океане, и реалистично смоделировать его условия, Оран и ее команде пришлось действовать в больших масштабах.

«Масштаб нашего эксперимента — одна из причин, почему наше исследование так уникально и почему оно является первым в своем роде», — сказал Оран.

Они построили треугольную конструкцию высотой 16 футов с тремя стенами, предназначенную для точного управления воздушным потоком, а в её центре располагался бассейн с сырой нефтью шириной 1,5 метра, плавающий на поверхности воды.

При возгорании экспериментальный участок на полигоне для обучения пожарной безопасности в Брейтоне, принадлежащем Службе расширения инженерных знаний Техасского университета A&M (TEEX), превратился в ревущий огненный вихрь высотой почти 17 футов.

Результаты были очевидны: значительно повышенная эффективность, более чистый воздух и практически полное отсутствие расхода топлива. «Вихри огня сжигали масло примерно на 40% быстрее, сокращали выбросы сажи на 40% и обеспечивали эффективность расхода топлива до 95% по сравнению с полевыми испытаниями», — сказал Оран.

Зона «Златовласки»

Однако исследователи спешат подчеркнуть, что эти огненные гиганты очень чувствительны. «Огненные вихри невероятно мощны и могут быть невероятно полезны, — сказал Оран. — Но они также чувствительны и достигают высокой эффективности только тогда, когда условия идеально подходят».

Слишком сильный ветер может привести к обрушению или дестабилизации колонны. Слишком слабый контроль над воздушным потоком приведет к тому, что она будет вести себя как огненная лужа. Даже толщина слоя нефтяного пятна имеет значение: когда она становилась слишком большой, огненные вихри преждевременно гасли.

Этот хрупкий баланс — «зона Златовласки» — подчеркивает как перспективность, так и сложность вывода этих масштабных огненных вихрей за пределы контролируемых испытаний.

Огненные вихри на горизонте

В результате дальнейших исследований и непрерывного технологического развития команда планирует создать мобильные конструкции, которые можно будет развертывать по требованию непосредственно над очагами возгорания нефти, превращая разрушительные пожары в эффективные огненные вихри.

«Это исследование — не просто эксперимент, это взгляд в будущее, где огонь будет не разрушительной силой, а инструментом защиты наших океанов и планеты», — говорит Оран.

На данный момент гигантские огненные вихри, созданные и укротенные исследовательской группой, остаются выдающимся научным достижением.

Это доказательство того, что порой самые нетрадиционные идеи могут стать причиной крупнейших научных прорывов, и что даже самый сильный огонь можно направить на решение самых насущных исследовательских задач и приоритетных проблем.

«Это первый случай, когда кому-либо пришла в голову идея использовать огненные вихри для ликвидации разливов нефти, и это только начало», — сказал Оран, профессор аэрокосмической инженерии в инженерном колледже. «Наша цель — использовать хаотичную природу огненных вихрей в качестве мощного и точного инструмента восстановления для защиты береговых линий, морских экосистем и окружающей среды в целом».