Toen het booreiland Deepwater Horizon op 21 april een catastrofale explosie en klapband kreeg, 2010, leidend tot de ergste olieramp in de geschiedenis van de aardolie-industrie, de exploitanten van de put dachten het lek binnen een paar weken te kunnen dichten. Op 9 mei slaagden ze erin een insluitingskoepel van 125 ton over de kapotte bron te laten zakken. Als die maatregel had gewerkt, het zou de lekkende olie in een pijp hebben geleid die het naar een tankschip erboven voerde, waardoor de voortdurende lekkage die de lekkage zo verwoestend maakte, werd voorkomen. Waarom werkte de insluiting niet zoals verwacht?

De boosdoener was een ijskoud mengsel van bevroren water en methaan, een methaanclathraat genoemd. Vanwege de lage temperaturen en hoge druk in de buurt van de zeebodem, de slushy-mix die zich ophoopte in de insluitingskoepel en de uitlaatpijp blokkeerde, voorkomen dat het de stroom omleidt. Als dat methaanclathraat er niet was geweest, de inperking had kunnen werken, en vier maanden onverminderde lekkage en wijdverbreide ecologische verwoesting hadden kunnen worden voorkomen.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van MIT heeft een oplossing bedacht die zo'n rampzalige afloop zou kunnen voorkomen de volgende keer dat zo'n lek zich voordoet. Het kan ook verstoppingen in olie- en gaspijpleidingen voorkomen die kunnen leiden tot dure sluitingen om een ​​pijpleiding vrij te maken, of erger, leidingbreuk door een opeenhoping van druk.

De nieuwe methode om ijsvorming te voorkomen wordt beschreven in een artikel in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces , in een paper van universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Kripa Varanasi, postdoc Arindam Das, en recent afgestudeerden Taylor Farnham SB '14 SM '16 en Srinivas Bengaluru Subramanyam PhD '16.

De sleutel tot het nieuwe systeem is het coaten van de binnenkant van de pijp met een laag van een materiaal dat de verspreiding van een waterbarrièrelaag langs het binnenoppervlak van de pijp bevordert. Deze barrièrelaag, het team vond, kan de hechting van ijsdeeltjes of waterdruppels aan de muur effectief voorkomen en zo de ophoping van clathraten tegengaan die de stroom zouden kunnen vertragen of blokkeren.

In tegenstelling tot eerdere methoden, zoals verwarming van de leidingwanden, drukverlaging, of het gebruik van chemische toevoegingen, die duur en potentieel vervuilend kunnen zijn, de nieuwe methode is volledig passief, dat wil zeggen, eenmaal op zijn plaats vereist het geen verdere toevoeging van energie of materiaal. Het gecoate oppervlak trekt vloeibare koolwaterstoffen aan die al aanwezig zijn in de stromende aardolie, het creëren van een dunne oppervlaktelaag die van nature water afstoot. Dit voorkomt dat het ijs zich ooit aan de muur hecht.

Bestaande preventiemaatregelen, bekend als stroomborgingsmaatregelen, "zijn duur of milieuonvriendelijk, " zegt Varanasi, en momenteel loopt het gebruik van die maatregelen "elk jaar in de honderden miljoenen dollars". Zonder die maatregelen hydraten kunnen zich ophopen zodat ze de stroomsnelheid verminderen, die de inkomsten kunnen verminderen, en als ze blokkades creëren, kan dat "tot catastrofale mislukking leiden, ", zegt Varanasi. "Het is een groot probleem voor de industrie, voor zowel veiligheid als betrouwbaarheid."

Het probleem kan nog groter worden, zegt Das, hoofdauteur van de krant, omdat methaan zichzelf hydrateert, die op veel plaatsen in overvloed aanwezig zijn, zoals op het continentaal plat, worden gezien als een enorme nieuwe potentiële brandstofbron, als er methoden kunnen worden bedacht om ze te extraheren. "De reserves zelf overschaduwen aanzienlijk alle bekende reserves [van olie en aardgas] op het land en in diep water, " hij zegt.

Maar dergelijke afzettingen zouden nog kwetsbaarder zijn voor bevriezing en propvorming dan bestaande olie- en gasbronnen. Het voorkomen van deze ijzige ophopingen hangt in belangrijke mate af van het voorkomen dat de allereerste deeltjes clathraat aan de pijp blijven kleven:"Zodra ze zich hechten, ze trekken andere deeltjes van clathraat aan, en de opbouw neemt snel toe, zegt Farnham. "We wilden zien hoe we de initiële hechting op de buiswanden konden minimaliseren."

De aanpak is vergelijkbaar met die wordt gebruikt in een bedrijf dat Varanasi heeft opgericht om eerder werk uit zijn laboratorium te commercialiseren, waarmee coatings voor containers worden gemaakt die voorkomen dat de inhoud - van ketchup of honing tot verf en landbouwchemicaliën - aan de containerwanden blijft kleven. Dat systeem bestaat uit twee stappen:eerst een structuurcoating maken op de containerwanden, en voeg vervolgens een smeermiddel toe dat vast komt te zitten door de textuur en voorkomt dat de inhoud blijft plakken.

Het nieuwe pijpleidingsysteem is vergelijkbaar met dat, Varanasi legt uit, maar in dit geval "gebruiken we de vloeistof die in de omgeving zelf is, " in plaats van een smeermiddel op het oppervlak aan te brengen. Het belangrijkste kenmerk bij de vorming van clathraat is de aanwezigheid van water, hij zegt, zolang het water maar weggehouden kan worden van de buiswand, clathraatopbouw kan worden gestopt. En de vloeibare koolwaterstoffen die aanwezig zijn in de aardolie, zolang ze zich aan de muur hechten dankzij een chemische affiniteit van de oppervlaktecoating, kan dat water effectief weghouden.

"Als de olie [in de pijpleiding] gemakkelijker over het oppervlak wordt verspreid, dan vormt het een barrièrefilm tussen het water en de muur, " zegt Varanasi. In laboratoriumtests, die een proxy-chemicalie voor het methaan gebruikte omdat de eigenlijke methaanclathraten zich vormen onder hogedrukomstandigheden die moeilijk te reproduceren zijn in het laboratorium, het systeem presteerde zeer effectief, zegt het team. "We zagen geen hydraten aan de substraten, ' zegt Varanasi.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.