Nach einer grossen Ölverschmutzung stehen Rettungsteams vor einer bitteren Abwägung. Öl breitet sich auf der Wasseroberfläche rasend schnell aus und vergiftet Meereslebewesen. Eine der schnellsten Möglichkeiten, diese Ausbreitung zu stoppen, ist es, das Öl direkt auf der Oberfläche zu verbrennen.
Diese Vorgehensweise – eine sogenannte In-situ-Verbrennung – kann verhindern, dass Öl Küstenbereiche erreicht. Gleichzeitig entstehen dabei dichte, schwarze Rauchwolken, giftiger Russ gelangt in die Luft, und auf dem Wasser bleibt zäher, klebriger Schlamm zurück.
Forschende haben nun eine kühne Alternative erprobt: Statt Öl in einem flachen Brandteppich brennen zu lassen, erzeugten sie riesige, rotierende Flammenwirbel – sogenannte Feuerwirbel. Diese flammen-„tornadoartigen“ Wirbel verbrennen Rohöl schneller und zugleich sauberer.
Ein Experiment im Grossmassstab deutet darauf hin, dass Feuerwirbel die weltweite Reaktion auf Ölkatastrophen auf See grundlegend verändern könnten.
Ein neuer Ansatz zur Bekämpfung von Ölverschmutzungen
Unterstützt wurde die Forschung von der US-Behörde für Sicherheits- und Umweltvollzug (BSEE). Geleitet wird das Projekt von Dr. Elaine Oran und Dr. Qingsheng Wang von der Texas A&M Universität sowie Dr. Michael Gollner von der Universität von Kalifornien in Berkeley.
"Dies [ist] das erste Mal, dass überhaupt jemand daran gedacht hat, Feuerwirbel zur Sanierung von Ölverschmutzungen einzusetzen – und es ist wirklich erst der Anfang", sagte Oran, Professorin für Luft- und Raumfahrttechnik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften.
"Unser Ziel ist es, die chaotische Natur von Feuerwirbeln als leistungsstarkes, präzises Wiederherstellungswerkzeug zu nutzen, um Küsten, marine Ökosysteme und die Umwelt insgesamt zu schützen."
Was ist ein Feuerwirbel?
Ein Feuerwirbel erscheint als rotierende Flammensäule, die nach oben steigt, statt sich flächig nach aussen auszubreiten.
Durch die Rotation wird zusätzliche Luft – und damit Sauerstoff – angesaugt, ähnlich wie ein Turbolader in einem Automotor. Mehr Sauerstoff lässt die Flamme heisser und vollständiger brennen.
In Versuchen verbrannten Feuerwirbel Öl nahezu doppelt so schnell wie herkömmliche In-situ-Brandflächen. Noch auffälliger: Feuerwirbel senkten die Russbildung um etwa 40 Prozent und verbrannten bis zu 95 Prozent des Brennstoffs.
Das bedeutet deutlich weniger Rauch und erheblich weniger giftige Rückstände.
Lehren aus Deepwater Horizon
Die Katastrophe der Deepwater Horizon im Jahr 2010 gilt bis heute als eindrückliche Mahnung, welche Folgen Ölunfälle haben können.
Bei der Explosion kamen 11 Arbeiter ums Leben, und es folgte die grösste Offshore-Ölverschmutzung in der Geschichte der Vereinigten Staaten. Tausende Meerestiere starben, und Lebensräume im Ozean wurden massiv geschädigt.
Klassische Verbrennungsmethoden halfen damals zwar, einen Teil der Ausbreitung einzudämmen, doch der Himmel füllte sich mit dichtem Rauch. Öl zu verbrennen ist immer mit Umweltkosten verbunden.
"Wir schauen auf Umweltkatastrophen wie Ölverschmutzungen und identifizieren Wege, sie schneller, umweltfreundlicher und nachhaltiger zu sanieren", sagte Oran.
Zeit ist entscheidend
Bei einer Ölverschmutzung zählt jede Minute. Öl kann in kurzer Zeit grosse Entfernungen zurücklegen. Empfindliche Meeresgebiete und geschützte Küstenabschnitte bleiben dabei in Gefahr.
Feuerwirbel könnten Einsatzkräften ein schnelleres Werkzeug an die Hand geben, um Öl zu zerstören, bevor es sich weiter ausbreitet.
"Feuerwirbel brennen sich durch Rohölverschmutzungen fast doppelt so schnell wie In-situ-Brandflächen und könnten Reinigungsteams dadurch schnellere Abläufe und Reaktionszeiten ermöglichen, um die Ausbreitung der Öle zu stoppen", sagte Oran.
Rauch-Emissionen reduzieren
Wenn Öl auf offener See verbrannt wird, können Schadstoffe hoch in die Atmosphäre steigen und sich bis in nahegelegene Gemeinden verfrachten.
"Eine der grössten Herausforderungen beim Verbrennen von Ölverschmutzungen ist die schiere Menge an Rauch, die ausgestossen wird", sagte Oran.
"Unsere Ergebnisse zeigen, dass Feuerwirbel im Vergleich zu In-situ-Bränden die Gesamtemissionen drastisch reduzieren."
Ein Feuerwirbel wirkt wie ein riesiger Verbrennungsofen. Die intensive, rotierende Flamme zerstört viele Partikel, aus denen sich sonst der schwarze Rauch bildet.
Statt eine schwere Teerschicht auf der Meeresoberfläche zu hinterlassen, verdampft der Wirbel den Grossteil des Öls.
Über Ölverschmutzungen hinaus
Die Studienergebnisse zeigten, dass Feuerwirbel Öl im Vergleich zu In-situ-Verbrennungstests etwa 40 Prozent schneller verbrannten, die Russ-Emissionen um 40 Prozent senkten und eine Brennstoffnutzungseffizienz von bis zu 95 Prozent erreichten.
Die zugrunde liegende Physik könnte Ingenieurinnen und Ingenieuren zudem dabei helfen, besonders effiziente Verbrennungssysteme zu entwickeln.
Sogar Feuerwehren könnten dieses Wissen nutzen, um das Verhalten von Waldbränden an Land besser vorherzusagen und zu steuern.
"Unsere Studie hat universelle Anwendungen", sagte Oran. "Wenn wir die physikalischen Gesetze verstehen, die Feuerwirbel bestimmen, können wir ihre Kraft über die Sanierung von Ölverschmutzungen hinaus nutzen."
Einen Feuer-Tornado konstruieren
Üblicherweise werden Feuerwirbel in kleinen Laboraufbauten untersucht. Für die Reinigung eines Ölunfalls auf See sind jedoch Tests im grossen Massstab erforderlich.
"Der Massstab unseres Experiments ist einer der Gründe, warum unsere Untersuchung so einzigartig ist – und was sie als eine Premiere dieser Art auszeichnet", sagte Oran.
Das Team errichtete drei etwa 4,88 Meter hohe Wände, die in Dreiecksform angeordnet waren. Dadurch liess sich der Luftstrom gezielt steuern. In der Mitte schwamm ein breites Rohölbecken auf Wasser.
Als die Forschenden das Öl auf dem Brayton-Feuertrainingsgelände des Texas-A&M-Ingenieur-Weiterbildungsdienstes entzündeten, bildete sich ein Feuerwirbel von fast 5,18 Metern Höhe.
Das Ergebnis war eindeutig: Der rotierende Feuersturm brannte heisser, schneller und sauberer als eine normale Brandfläche.
Die Goldlöckchen-Zone finden
"Feuerwirbel sind unglaublich stark – und können unglaublich nützlich sein", sagte Oran. "Aber sie sind auch empfindlich und erreichen hohe Effizienz nur dann, wenn die Bedingungen genau stimmen."
Zu viel Wind kann dazu führen, dass die Säule zusammenbricht. Eine unzureichende Kontrolle des Luftstroms kann den Wirbel wieder in eine gewöhnliche Brandfläche zurückfallen lassen.
Sogar die Öldicke spielt eine Rolle: Wird die Ölschicht zu tief, kann der Wirbel zu früh erlöschen.
Diese notwendige Balance bezeichnen die Forschenden als Goldlöckchen-Zone: Für maximale Effizienz müssen die Rahmenbedingungen „genau richtig“ sein.
Künftige Einsatzsysteme
Mit weiterer Forschung hoffen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, mobile Systeme zu entwickeln, die Einsatzkräfte über brennenden Ölschlieren platzieren könnten.
Solche Lösungen könnten zerstörerische Flammen in kontrollierte Feuerwirbel überführen.
Die Arbeit zeigt, dass Feuer nicht zwangsläufig nur Zerstörung bedeuten muss. Unter passenden Bedingungen könnten kontrollierte Flammen helfen, Ozeane, Küsten und Meeresleben zu schützen.
Manchmal führen die kühnsten Ideen zu den grössten Durchbrüchen. In diesem Fall könnte eine rotierende Wand aus Feuer zu einem starken Werkzeug werden, um das Meer zu retten.
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