När oljeriggen Deepwater Horizon drabbades av en katastrofal explosion och utblåsning den 21 april, 2010, leder till det värsta oljeutsläppet i petroleumindustrins historia, brunnens operatörer trodde att de skulle kunna blockera läckan inom några veckor. Den 9 maj lyckades de sänka en 125-tons inneslutningskupol över det trasiga brunnshuvudet. Om den åtgärden hade fungerat, den skulle ha kanaliserat den läckande oljan i ett rör som förde den till ett tankfartyg ovanför, därmed förhindra det pågående läckaget som gjorde utsläppet så förödande. Varför fungerade inte inneslutningen som förväntat?

Boven var en isig blandning av fruset vatten och metan, kallas metanklatrat. På grund av de låga temperaturerna och det höga trycket nära havsbotten, den slaskiga blandningen byggdes upp inuti inneslutningskupolen och blockerade utloppsröret, hindrar den från att omdirigera flödet. Om det inte hade varit för det där metanklatratet, inneslutningen kan ha fungerat, och fyra månader av oförminskat läckage och omfattande ekologisk förödelse kan ha förhindrats.

Nu, ett team av forskare vid MIT har kommit fram till en lösning som kan förhindra ett så katastrofalt resultat nästa gång en sådan läcka inträffar. Det kan också förhindra blockeringar inuti olje- och gasledningar som kan leda till dyra avstängningar för att rensa ett rör, eller värre, rörledningsbrott på grund av tryckuppbyggnad.

Den nya metoden för att förhindra den isiga uppbyggnaden beskrivs i en artikel i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt , i en artikel av docent i maskinteknik Kripa Varanasi, postdoc Arindam Das, och nyutexaminerade Taylor Farnham SB '14 SM '16 och Srinivas Bengaluru Subramanyam PhD '16.

Nyckeln till det nya systemet är att belägga rörets insida med ett skikt av ett material som främjar spridning av ett vattenspärrskikt längs rörets inre yta. Detta barriärskikt, laget hittade, kan effektivt förhindra vidhäftning av ispartiklar eller vattendroppar till väggen och därmed motverka uppbyggnaden av klatrater som kan bromsa eller blockera flödet.

Till skillnad från tidigare metoder, såsom uppvärmning av rörväggarna, trycksänkning, eller använder kemiska tillsatser, som kan vara dyrt och potentiellt förorenande, den nya metoden är helt passiv – det vill säga väl på plats kräver den ingen ytterligare tillsats av energi eller material. Den belagda ytan drar till sig flytande kolväten som redan finns i den strömmande petroleumen, skapar ett tunt ytskikt som naturligt stöter bort vatten. Detta förhindrar att isarna någonsin fäster på väggen i första hand.

Befintliga förebyggande åtgärder, känd som flödessäkringsåtgärder, "är dyra eller miljöovänliga, säger Varanasi, och för närvarande uppgår användningen av dessa åtgärder till hundratals miljoner dollar varje år. Utan dessa åtgärder, hydrater kan byggas upp så att de minskar flödeshastigheten, som kan minska intäkterna, och om de skapar blockeringar så "kan det leda till katastrofala misslyckanden, " Varanasi säger. "Det är ett stort problem för branschen, för både säkerhet och tillförlitlighet."

Problemet kan bli ännu större, säger Das, tidningens huvudförfattare, eftersom metan hydratiserar sig själva, som finns i överflöd på många platser som kontinentalsockeln, ses som en enorm ny potentiell bränslekälla, om metoder kan utarbetas för att extrahera dem. "Reserverna i sig överskuggar väsentligt alla kända reserver [av olja och naturgas] på land och på djupt vatten, " han säger.

Men sådana fyndigheter skulle vara ännu mer känsliga för frysning och pluggbildning än befintliga olje- och gaskällor. För att förhindra dessa isiga ansamlingar är det avgörande att stoppa de allra första partiklarna av klatrat från att fästa vid röret:"När de väl fäster, de attraherar andra partiklar" av klatrat, och uppbyggnaden tar fart snabbt, säger Farnham. "Vi ville se hur vi kunde minimera den initiala vidhäftningen på rörväggarna."

Tillvägagångssättet liknar det som används i ett företag Varanasi etablerat för att kommersialisera tidigare arbeten från hans labb, som skapar beläggningar för behållare som förhindrar innehållet – allt från ketchup eller honung till färg och jordbrukskemikalier – från att fastna på behållarens väggar. Det systemet innefattar två steg:först skapa en texturerad beläggning på behållarens väggar, och sedan lägga till ett smörjmedel som fastnar i texturen och förhindrar innehållet från att fästa.

Det nya rörledningssystemet liknar det, Varanasi förklarar, men i det här fallet "använder vi vätskan som finns i själva miljön, " snarare än att applicera ett smörjmedel på ytan. Nyckelegenskapen i clatratbildning är närvaron av vatten, han säger, så länge som vattnet kan hållas borta från rörväggen, klatratuppbyggnaden kan stoppas. Och de flytande kolvätena som finns i petroleum, så länge de klamrar sig fast på väggen tack vare en kemisk affinitet hos ytbeläggningen, kan effektivt hålla det vattnet borta.

"Om oljan [i pipeline] görs att spridas lättare på ytan, då bildar den en barriärfilm mellan vattnet och väggen, " säger Varanasi. I labbtester, som använde en proxykemikalie för metanet eftersom de faktiska metanklatraterna bildas under högtrycksförhållanden som är svåra att reproducera i labbet, systemet fungerade mycket effektivt, säger laget. "Vi såg inga hydrater som fäste vid substraten, " säger Varanasi.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.