Feuerwirbel könnten Ölverschmutzungen auf dem Meer schneller bekämpfen

Nach einer schweren Ölpest stehen Rettungskräfte vor einer schwierigen Entscheidung. Öl breitet sich auf dem Wasser rasch aus und vergiftet Meerestiere. Um diese Ausbreitung schnell einzudämmen, kann das Öl auf der Oberfläche verbrannt werden.

Diese Methode, die als In-situ-Verbrennung bezeichnet wird, verhindert, dass Öl die Küsten erreicht. Allerdings entstehen dabei dichter schwarzer Rauch, giftiger Ruß in der Luft und klebrige Rückstände auf dem Wasser.

Forschende haben nun einen gewagten neuen Ansatz erprobt. Statt Öl in einer flachen Lache brennen zu lassen, erzeugten sie riesige rotierende Flammen, sogenannte Feuerwirbel. Diese tornadoähnlichen Flammen verbrennen Öl schneller und sauberer.

Ein Großversuch deutet darauf hin, dass Feuerwirbel den weltweiten Umgang mit Katastrophen durch Ölverschmutzungen verändern könnten.

Ein neuer Ansatz gegen Ölverschmutzungen

Unterstützt wurde die Forschung vom Bureau of Safety and Environmental Enforcement. Geleitet wird das Projekt von Dr. Elaine Oran und Dr. Qingsheng Wang von der Texas A&M University sowie Dr. Michael Gollner von der University of California, Berkeley.

„Dies ist das erste Mal, dass jemand den Einsatz von Feuerwirbeln zur Sanierung nach Ölverschmutzungen überhaupt in Betracht gezogen hat, und es ist wirklich erst der Anfang“, sagte Oran, Professorin für Luft- und Raumfahrttechnik am College of Engineering.

„Unser Ziel ist es, die chaotische Natur von Feuerwirbeln als leistungsstarkes, präzises Sanierungswerkzeug zu nutzen, um Küsten, Meeresökosysteme und die Umwelt insgesamt zu schützen.“

Was ist ein Feuerwirbel?

Ein Feuerwirbel erscheint als aufsteigende, rotierende Flammensäule, anstatt sich flach nach außen auszubreiten.

Durch die Drehbewegung wird zusätzlicher Sauerstoff angesaugt – ähnlich wie bei einem Turbolader in einem Automotor. Dieser Sauerstoffüberschuss lässt die Flamme heißer und vollständiger brennen.

Bei Versuchen verbrannten Feuerwirbel Öl nahezu doppelt so schnell wie gewöhnliche In-situ-Brandflächen. Noch bemerkenswerter: Sie verringerten den Ruß um etwa 40 Prozent und verbrannten bis zu 95 Prozent des Brennstoffs.

Dadurch bleiben deutlich weniger Rauch und giftige Rückstände zurück.

Erkenntnisse aus Deepwater Horizon

Die Katastrophe von Deepwater Horizon im Jahr 2010 ist weiterhin eine eindringliche Erinnerung an die Folgen von Ölverschmutzungen.

Bei der Explosion kamen 11 Beschäftigte ums Leben; zudem verursachte sie die größte Offshore-Ölpest in der Geschichte der Vereinigten Staaten. Tausende Meerestiere starben, während Lebensräume im Ozean massiv geschädigt wurden.

Herkömmliche Verbrennungsmethoden begrenzten zwar einen Teil der Ausbreitung, doch dichter Rauch erfüllte den Himmel. Das Verbrennen von Öl ist stets mit Umweltbelastungen verbunden.

„Wir betrachten Umweltkatastrophen wie Ölverschmutzungen und suchen nach Wegen, sie schneller, umweltfreundlicher und nachhaltiger zu beseitigen“, sagte Oran.

Schnelle Reaktion bei Ölverschmutzungen ist entscheidend

Bei einer Ölpest zählt jede Minute. Öl kann in kurzer Zeit große Distanzen zurücklegen. Empfindliche Meereslebensräume und geschützte Küsten bleiben dadurch gefährdet.

Feuerwirbel könnten Einsatzteams ein schnelleres Verfahren bieten, um Öl zu zerstören, bevor es sich weiter ausbreitet.

„Feuerwirbel verbrennen Rohölteppiche nahezu doppelt so schnell wie In-situ-Brandflächen und könnten Reinigungsteams damit schnellere Einsatz- und Reaktionszeiten ermöglichen, um die weitere Ausbreitung des Öls zu verhindern“, sagte Oran.

Weniger Rauchemissionen durch Feuerwirbel

Wird Öl auf offenem Wasser verbrannt, können Schadstoffe hoch in die Atmosphäre gelangen und sich über nahe gelegene Gemeinden verbreiten.

„Eine der größten Herausforderungen beim Verbrennen von Ölteppichen ist die enorme Menge an ausgestoßenem Rauch“, sagte Oran.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Feuerwirbel die Gesamtemissionen im Vergleich zu In-situ-Verbrennungen drastisch senken.“

Ein Feuerwirbel funktioniert wie eine riesige Verbrennungsanlage. Die intensiv kreisende Flamme zerstört viele Partikel, aus denen üblicherweise schwarzer Rauch entsteht.

Anstatt eine schwere Teerschicht auf der Meeresoberfläche zurückzulassen, verdampft der Wirbel den Großteil des Öls.

Einsatzmöglichkeiten über Ölverschmutzungen hinaus

Die Forschungsergebnisse zeigten, dass Feuerwirbel Öl im Vergleich zu In-situ-Brandversuchen etwa 40 Prozent schneller verbrannten, die Rußemissionen um 40 Prozent senkten und eine Brennstoffverbrauchseffizienz von bis zu 95 Prozent erreichten.

Die wissenschaftlichen Grundlagen dieser Entdeckung könnten Ingenieurinnen und Ingenieuren außerdem bei der Entwicklung hocheffizienter Verbrennungssysteme helfen.

Feuerwehren könnten dieses Wissen möglicherweise sogar nutzen, um das Verhalten von Waldbränden an Land besser vorherzusagen und zu kontrollieren.

„Unsere Studie hat universelle Anwendungsmöglichkeiten“, sagte Oran. „Wenn wir die physikalischen Gesetze verstehen, die Feuerwirbel bestimmen, können wir ihre Kraft auch über die Sanierung von Ölverschmutzungen hinaus nutzen.“

Einen Feuertornado gezielt erzeugen

Üblicherweise untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Feuerwirbel in kleinen Laborexperimenten. Die Beseitigung einer Ölpest auf dem Meer erfordert jedoch Tests in großem Maßstab.

„Der Umfang unseres Experiments ist einer der Gründe, warum unsere Untersuchung so einzigartig ist und sie als erste ihrer Art auszeichnet“, sagte Oran.

Das Team errichtete drei 4,88 Meter hohe Wände in Dreiecksform. Diese Konstruktion regulierte den Luftstrom präzise. In der Mitte schwamm ein breites Rohölbecken auf Wasser.

Als die Forschenden das Öl auf dem Brayton Fire Training Field des Texas A&M Engineering Extension Service entzündeten, entstand ein fast 5,18 Meter hoher Feuerwirbel.

Die Ergebnisse waren eindeutig: Das rotierende Inferno brannte heißer, schneller und sauberer als eine normale Brandfläche.

Die Goldilocks-Zone finden

„Feuerwirbel sind unglaublich leistungsstark und können äußerst nützlich sein“, sagte Oran. „Sie sind aber auch empfindlich und erreichen ihre hohe Effizienz nur, wenn die Bedingungen genau richtig sind.“

Zu starker Wind kann die Flammensäule zusammenbrechen lassen. Eine unzureichende Steuerung des Luftstroms kann den Wirbel wieder in eine gewöhnliche Brandfläche verwandeln.

Auch die Ölschichtdicke spielt eine Rolle. Wird die Ölschicht zu tief, kann der Wirbel zu früh erlöschen.

Forschende nennen dieses Gleichgewicht die Goldilocks-Zone. Für maximale Effizienz müssen die Bedingungen exakt stimmen.

Künftige Einsatzsysteme für Feuerwirbel

Mit weiterer Forschung hoffen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, mobile Systeme entwickeln zu können, die Einsatzkräfte über brennenden Ölteppichen positionieren könnten.

Solche Systeme könnten zerstörerische Flammen in kontrollierte Feuerwirbel umwandeln.

Die Arbeit zeigt, dass Feuer nicht zwangsläufig Zerstörung bedeuten muss. Unter den richtigen Bedingungen könnten kontrollierte Flammen zum Schutz von Ozeanen, Küsten und Meereslebewesen beitragen.

Mitunter führen gerade die kühnsten Ideen zu den größten Durchbrüchen. In diesem Fall könnte eine rotierende Feuerwand zu einem wirkungsvollen Werkzeug für die Rettung der Meere werden.