Können fundierte wissenschaftliche Erkenntnisse den Einsatz von Dispergiermitteln bei Unterwasserölverschmutzungen leiten?

17. April 2012

vom Virginia Institute of Marine Science

Diese Woche vor zwei Jahren begann nach der Explosion der Deepwater Horizon-Plattform Öl vom Meeresboden in den Golf von Mexiko zu strömen. Insgesamt kostete die Katastrophe elf Menschen das Leben, setzte 4,9 Millionen Barrel Rohöl frei und verursachte noch nicht näher bezeichnete Auswirkungen auf das Meeresleben und die Golfwirtschaft.

Nun nutzt ein Forscherpaar am Virginia Institute of Marine Science einen Einjahresvertrag über 350.000 US-Dollar vom US-Innenministerium, um zu testen, ob Schallwellen zur Bestimmung der Größe von Öltröpfchen im Unterwasser verwendet werden können – das wissen wir könnte dabei helfen, den Einsatz chemischer Dispergiermittel bei der Beseitigung künftiger verschütteter Flüssigkeiten zu steuern. Die Bemühungen werden auch von der VIMS-Industry Partnership unterstützt.

Chemische Dispergiermittel werden herkömmlicherweise auf Ölteppiche an der Oberfläche aufgetragen, um kleinere Tröpfchen zu erzeugen, die durch Meeresturbulenzen leichter nach unten gemischt werden können. Die Ausbreitung über ein größeres Wasservolumen verringert die unmittelbare Bedrohung der Küste und von Organismen wie Seevögeln, Meeressäugetieren und Schildkröten. Durch die Dispersion wird auch die Oberfläche vergrößert, die für bakteriellen Zerfall zur Verfügung steht.

Während des Deepwater-Ereignisses hat die Ölindustrie jedoch erstmals Dispergiermittel direkt in einen Tiefseeausbruch freigesetzt. Tatsächlich wurden 42 % – 771.000 Gallonen – der 1,84 Millionen Gallonen Dispergiermittel, die während der Verschüttung verwendet wurden, am Bohrlochkopf, 5.067 Fuß unter der Oberfläche, ausgebracht. Die Idee bestand darin, sowohl die Menge an Öl, die an die Oberfläche gelangt, als auch die Menge an Dispergiermitteln, die aufgetragen werden mussten, zu reduzieren.

Die Wirksamkeit und Sicherheit dieser Tiefsee-Dispergiermittelanwendung ist bis heute unbekannt, zumindest teilweise aufgrund der Schwierigkeit, die Größe der Öltröpfchen in der Unterwasserfahne zu überwachen. Hier kommt die VIMS-Forschung ins Spiel.

Projektleiter Paul Panetta, Wissenschaftler bei Applied Research Associates, Inc. und außerordentlicher Professor am VIMS, sagt: „Um den biologischen Abbau zu maximieren, sind Dispergiermittel so konzipiert, dass sie Öltröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 Mikrometern erzeugen. Derzeit sind jedoch keine Werkzeuge verfügbar.“ um die Tröpfchengröße in tiefen Unterwasserausbrüchen zu überwachen. Unser Ziel ist es, akustische Techniken für diesen Zweck zu entwickeln, die den Notfallhelfern die Möglichkeit geben, die Wirksamkeit der Dispergiermittel und die Menge, die sie verwenden sollten, abzuschätzen.“

Es gibt Werkzeuge zur Messung der Tröpfchengröße in verteilten Ölteppichen an und direkt unter der Meeresoberfläche – darunter Ultraviolettfluorometer und LISSTs (für Laser In-Situ Scattering and Transmissometers). Für den Einsatz in stark undurchsichtigen Ölfahnen sind diese optischen Geräte jedoch schlecht geeignet.

Akustische Instrumente und Techniken bieten eine vielversprechende Alternative. „Es gibt einen Grund dafür, dass viele Meeressäugetiere für die Kommunikation über große Entfernungen Geräusche statt Sehvermögen nutzen“, sagt Teammitglied Carl Friedrichs, Lehrstuhlinhaber für Physikalische Wissenschaften und Leiter des Labors für Küstenhydrodynamik und Sedimentdynamik am VIMS. „Licht kann im Wasser – geschweige denn in trübem Wasser – nicht annähernd so weit gehen wie Schallwellen.“ Friedrichs weist darauf hin, dass akustische Instrumente tendenziell auch weniger empfindlich sind als ihre optischen Gegenstücke und besser in der Lage sind, „Biofouling“ und den hohen Drücken der Tiefsee standzuhalten.

Panetta und Friedrichs führten die ersten Experimente für das Projekt im Dezember 2011 im Ohmsett Wave Tank in Leonardo, New Jersey durch, der als National Oil Spill Response Research & Renewable Energy Test Facility für das US-Innenministerium dient. Dieses 2,6 Millionen Gallonen fassende Betonbecken – eines der größten Wellenbecken der Welt – ist 666 Fuß lang, 65 Fuß breit und 11 Fuß tief. Es verfügt über einen riesigen Kolben zur Erzeugung von bis zu 3 Fuß hohen Wellen, ein Ölverteilungs- und Rückgewinnungssystem und eine motorisierte Brücke zum Ausfahren von Instrumenten.

Während ihrer Ohmsett-Tests verglichen Panetta und Friedrichs die Leistung optischer und akustischer Instrumente, die sie aus ihren Laboren am VIMS ausgeliehen hatten. Sie sendeten, empfingen und interpretierten Schallwellen und Licht, wenn sie an einer wässrigen Aufschlämmung aus 20 Teilen Öl und 1 Teil Dispergiermittel reflektiert wurden.

In einem zweiten Experiment am VIMS führten die beiden ein ähnliches Experiment durch, jedoch in einem viel kleineren – und einfacheren – Maßstab. Diesmal verglichen sie die Leistung ihrer optischen und akustischen Instrumente in einem kleinen Eimer, indem sie dem gleichen Rohöl, das in Ohmsett verwendet wurde, Dispergiermittel hinzufügten und mit einem bohrbetriebenen Farbmischer Turbulenzen erzeugten.

Kürzlich führten sie einen dritten Test in Norwegen durch, in einem Tank, der von SINTEF, der größten unabhängigen Forschungsorganisation in Skandinavien, betrieben wird. Dieser „Turmtank“ – der speziell für die Untersuchung unterirdischer Ölfreisetzungen geschaffen wurde – ist 21 Fuß hoch und 9 Fuß breit und bietet Platz für verschiedene Instrumente, darunter Videokameras, ein LISST und in diesem Fall die vom VIMS-Team bereitgestellte akustische Ausrüstung .

In allen drei Fällen bestätigen die vorläufigen Ergebnisse des Teams qualitativ die potenzielle Überlegenheit eines akustischen Ansatzes zur Überwachung der Ölausbreitung. „Unsere Tests zeigten, dass akustische Techniken beim Eindringen in die Wolke wirksam waren“, sagt Panetta, „während das LISST unwirksam gewesen wäre. Unsere ersten Messungen deuten darauf hin, dass die akustischen Messungen die Tröpfchengröße für eine unterirdische Freisetzung von Öl verfolgen können.“

Der nächste Schritt, sagt Panetta, besteht darin, „diese Daten zu nehmen und sie in eine Messmethode umzuwandeln, die uns genau sagen würde, wie groß die Tröpfchen sind. Das wäre wertvoll für die Menschen, die die Dispergiermittel versprühen, und wertvoll für die Menschen, die das Schicksal modellieren.“ des Öls, denn bei der Beseitigung einer Ölpest beeinflusst die Größe der Öltröpfchen alles.“

Panetta und Friedrichs sagen, dass ihr oberstes Ziel eine Partnerschaft mit dem Privatsektor ist, damit kommerzielle Sonarhersteller die neue Technologie an ihre vorhandenen Instrumente für den Einsatz in der Öl- und Gasindustrie anpassen können. „Das ist der längerfristige Technologieplan“, sagt Panetta, „aber wir müssen natürlich zuerst die Wissenschaft dahinter herausfinden, damit es funktioniert. Wir müssen das physikalische Problem lösen – um herauszufinden, welche Signale wir analysieren und wie wir sie interpretieren.“ So können wir ein quantitatives Maß für die Größe der Öltröpfchen erhalten.

Bereitgestellt vom Virginia Institute of Marine Science