Klotsend LNG slaat harder in dan verwacht. Wat gebeurt er als vloeibaar aardgas (LNG) in een schip tegen de wand van de opslagtank slaat? Nieuw onderzoek uit het team van natuurkundige Devaraj van der Meer (Universiteit Twente laat zien dat daarbij veel hogere drukpieken kunnen ontstaan dan tot nu toe werd aangenomen. Dit inzicht is belangrijk voor het ontwerp en de veiligheid van LNG-schepen en toekomstige vloeibaar waterstofsystemen.
Normaal zorgt een dun laagje lucht ervoor dat een vloeistof niet direct tegen een oppervlak slaat. Dat gas werkt als een kussen en dempt de klap. In LNG-schepen is die lucht vervangen door damp van het LNG zelf. En die damp kan tijdens de impact weer vloeibaar worden. Daardoor verdwijnt het kussen en neemt de belasting op de wand sterk toe.
Extreme impact
Alles wat we intuïtief weten over vloeistoffen die ergens tegenaan slaan, komt uit situaties met lucht. Regen op straat. Golven tegen een kade. In al die gevallen zit er vlak voor de botsing een laagje lucht tussen vloeistof en oppervlak. Die lucht wordt samengedrukt en werkt dan als een schokdemper. Dit wordt ook wel ‘air cushioning’ genoemd. Bij LNG en vloeibare waterstof is die lucht vervangen door damp van dezelfde vloeistof. De vloeistof is dus in evenwicht met zijn eigen damp. Tijdens een botsing kan deze damp weer vloeibaar worden. Condenseren dus. “En dat verandert alles. Als die damplaag verdwijnt, verdwijnt ook het kussen. Dan krijg je geen zachte landing, maar een harde klap”, aldus Van der Meer.
Druppels die harder raken dan verwacht
Om dat effect te isoleren, deden Van der Meer en zijn team experimenten met een speciale vloeistof die bij 34 graden kookt. Zo konden zij bij kamertemperatuur werken, maar wel een vloeistof gebruiken die zich gedraagt als het veel koudere LNG (−162 graden) of vloeibare waterstof (−253 graden). In de PNAS-studie laten de onderzoekers druppels op een oppervlak vallen. Bij lage snelheden gebeurt er wat je verwacht: er blijft een kleine dampbel gevangen onder de druppel. Maar zodra de druppel sneller beweegt, dan verdwijnt de damp. De damp blijkt sneller te condenseren dan dat de druppel naar beneden beweegt. Hierdoor kan de druk niet rustig worden opgebouwd. Het dempende effect valt dus weg, met als resultaat een veel hardere botsing.
Gemeten druk
In een ander onderzoek liet het team een metalen schijf inslaan op een bad van dezelfde vloeistof. Door alleen de temperatuur iets te verlagen steeg de maximale druk bij impact tot wel vijftien keer. Nog groter werd het effect bij golven. In een grote testopstelling van onderzoeksinstituut MARIN in Wageningen, vijftien meter lang, lieten de onderzoekers brekende golven tegen een wand slaan. Met 99 druksensoren hebben ze gemeten wat er gebeurde.
Bij water in lucht gedraagt zo’n botsing zich keurig volgens het boekje. Maar bij water in zijn eigen damp liep de druk soms op tot honderd keer hoger. De oorzaak: een dampbel onder de brekende golf die niet, zoals in lucht, samengedrukt wordt, maar razendsnel instort doordat de damp condenseert.
Gevolgen voor LNG en waterstof?
LNG-schepen zijn nu niet ineens onveilig. Een fundamenteel effect is tot nu toe nauwelijks meegenomen in modellen en experimenten. “In veel veiligheidsstudies is gewerkt met een inert gas dat niet kan condenseren”, zegt Van der Meer. “Maar in een echte LNG-tank is de damp allesbehalve inert. Die is gewoon weer vloeibaar te maken. Daarom is het belangrijk dat ontwerpers en ingenieurs dit effect kennen. “In dit onderzoek wordt aangetoond dat de fysica anders is dan gedacht. Dat betekent niet dat alles opnieuw moet, maar wel dat je dit niet kunt negeren. Daarom zijn we nu in gesprek met partijen uit de industrie die LNG-containers voor schepen ontwerpen. Voor ons is het een beginpunt: we weten nu dat het effect bestaat. De volgende stap is begrijpen wat dit betekent op de schaal van echte transporttanks.”
 in een schip tegen de wand van de opslagtank slaat){kind=link}