바다에서 기름 유출이 발생한 후 중요한 시간에 구조자들은 종종 딜레마에 직면합니다. 유막이 퍼져 광활한 해역과 취약한 생태계를 위협하거나 현장 연소를 통해 해수면의 기름층을 점화시키는 것입니다. 전통적인 현장 연소는 유류 오염을 방지할 수 있지만 두꺼운 연기, 블랙 카본 및 불완전 연소 잔류물을 대량으로 생성하여 대기 및 해양 환경에 새로운 오염을 가져옵니다.
최근 미국 텍사스 A&M 대학 과학 연구팀은 최초의 대규모 현장 실험에서 완전히 다른 아이디어를 제안했다. 거대한 '불 토네이도'(수직으로 솟아올라 토네이도처럼 회전하는 화염 기둥)를 사용해 해수면에서 기름을 태우는 것이다. 연구에 따르면 이렇게 제어된 화염 소용돌이는 연소 효율을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 연기와 먼지를 크게 줄여 기름 유출에 대응하는 더 빠르고 깨끗한 수단이 되는 것으로 나타났습니다.
기존의 현장 연소에 의해 형성된 "화재 웅덩이"와 비교하여 화재 토네이도는 강한 회전을 통해 화염 속으로 많은 양의 산소를 끌어당겨 연소 온도를 높이고 반응을 더욱 완전하게 만듭니다. 실험 결과에 따르면 동일한 조건에서 화재 토네이도의 연소 속도는 약 40% 증가하고 석유의 거의 95%를 연소할 수 있으며 남겨진 유해 입자와 독성 잔류물이 크게 감소하는 것으로 나타났습니다. 동시에 연기와 먼지 배출도 약 40% 감소합니다. 이는 비상 연소가 대기 질에 미치는 영향이 크게 완화된다는 것을 의미합니다.
이 연구는 미국 내무부 산하 해양안전환경집행국(BSEE)의 자금 지원을 받았으며 텍사스 A&M 대학교 공과대학의 Elaine Oran 교수, Wang Qingsheng 교수 및 협력자 Michael Gollner가 공동으로 수행했습니다. Oran은 누군가가 해양 기름 유출 통제를 위해 소화기 사용을 제안한 것은 이번이 처음이라고 지적했습니다. "우리의 목표는 원래 혼란스럽고 제어하기 어려웠던 화재용 용출구를 강력하고 정확한 환경 복원 도구로 전환하여 해안선, 해양 생태계 및 더 넓은 환경을 보호하는 것입니다."
연구팀은 화재 토네이도의 생성 및 제어 기술을 습득하면 새롭고 더 빠르고 "친환경적인" 기름 유출 대응 모델이 탄생할 것으로 기대하고 있습니다. 2010년 미국 역사상 최대 규모의 해상 기름 유출 사고인 Deepwater Horizon 사고로 인해 작업자 11명이 사망하고 수천 명의 해양 생물이 사망했으며 멕시코만 생태계가 심각하게 손상되었습니다. 또한 대규모 석유 유출이 단기간에 환경 재앙으로 바뀔 수 있다는 실제 위험을 강조했습니다.
효율성 측면에서 Fire Tornado의 장점은 매우 두드러집니다. 연구에 따르면 원유를 기존 소방서보다 거의 두 배 빠르게 태울 수 있어 구조대에게 중요한 시간을 확보하고 석유 오염이 민감하거나 보호된 해역으로 확산되기 전에 신속하게 제거하는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 공기 질 개선 측면에서, 화재용 홈통은 산업용 소각로와 유사한 효율적인 연소 과정을 사용하여 짙은 연기 구름을 형성할 수 있는 큰 입자를 분해하므로 비상 연소를 통해 심각한 대기 오염을 희생하지 않고 해양 오염을 줄일 수 있습니다.
이번 대규모 실험을 위해 연구팀은 높이 약 4.9m의 3면체 구조를 구축했다. 3개의 벽을 삼각형으로 배치하여 공기의 흐름을 정확하게 유도했습니다. 구조물 중앙에는 직경 1.5m 정도의 원유 웅덩이를 물 위에 깔고 텍사스 A&M TEEX(Texas A&M Engineering Extension Services) 브레이튼 소방훈련장에서 점화했다. 공기 흐름이 세 개의 벽 사이에서 뒤틀려 화염 위로 수렴되면서 거의 17피트 높이의 화염 토네이도가 형성되어 일반 화력 수영장보다 더 큰 연소 강도, 더 깨끗한 배기가스 배출 및 거의 완전한 연료 소비를 보여줍니다.
이번 연구결과는 학술지 '퓨얼(Fuel)'에 게재됐다. 데이터에 따르면 화재 토네이도 연소 속도는 석유 오염을 약 40% 증가시키고 연기 배출은 약 40% 감소하며 연료 연소율은 최대 95%에 도달할 수 있습니다. 전통적인 현장 연소와 비교하여 전반적인 개선을 달성했습니다. Oran은 이러한 결과가 해상 기름 유출 제어에서 화재용 홈통의 엄청난 잠재력을 입증할 뿐만 아니라 효율적인 연소 시스템 설계, 산불 행동 예측 및 관리 및 기타 더 넓은 분야를 위한 중요한 물리적 기반을 제공한다고 말했습니다.
그러나 화재 토네이도의 적용은 심각한 엔지니어링 문제에 직면해 있습니다. 연구에 따르면 화재 토네이도는 환경 조건에 매우 민감하며 "골디락스 구역"(즉, 조건이 "딱 맞는" 평형 상태)에서만 효율적이고 안정적인 회전 화염을 유지할 수 있다고 지적합니다. 풍속이 너무 높으면 회전하는 화재 기둥이 방해를 받거나 심지어 분해될 수 있습니다. 공기 흐름 조직이 불충분하면 화염이 일반 화재 웅덩이로 변질됩니다. 오일층의 두께도 중요합니다. 유막이 너무 두꺼우면 화재 토네이도가 조기에 꺼집니다.
미래에 과학 연구팀은 해상 사고 현장에 배치하여 일반적인 불타는 불꽃을 효율적인 화재 토네이도로 변환할 수 있는 이동식 엔지니어링 장치를 개발할 계획입니다. 이러한 유형의 장치는 구조물을 통해 공기 흐름을 안내하고 제어 가능한 화염 소용돌이를 생성하여 신속하고 상대적으로 낮은 배출 가스 비상 연소 작업을 달성하기 위해 기름 유출 지역 위에 운반 및 배치될 것으로 예상됩니다. 오랑은 이번 연구가 단순한 실험이 아니라 파괴적인 자연의 힘인 불을 바다와 지구를 보호하는 도구로 변환할 수 있는 미래에 대한 예고라고 강조했습니다.
현재 현장에서 대규모 화재용 홈통의 성공적인 생성 및 제어는 중요한 과학적 이정표가 되었습니다. 연구에 따르면 극단적이거나 심지어 파괴적으로 보이는 많은 자연 현상도 물리적 법칙을 깊이 이해하는 한 잠재적으로 인간에 의해 "길들여질" 수 있으며, 결과적으로 오늘날의 긴급한 환경 문제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다.