Mesoscale transport and sustained cooling of dual-network geopolymer foam for coal-fire control
本研究は、実験的レオロジーとメソスケールモデリングを組み合わせることで、二重ネットワークジオポリマーフォームのレオロジーが主に不規則な炭層火災空隙への注入圧力を決定する一方で、温まったフォームを置き換えるために連続的な注入が持続的な冷却に不可欠であり、それによって静的な配置と比較して炭層温度を低下させるために必要な時間を大幅に短縮できることを実証している。
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石炭が採掘される地下深くでは、地層は砕けた岩石や残った石炭の破片が入り混じった混沌とした景観を残していく。ゴーフ（採掘跡）として知られるこの領域は、隙間とトンネルが入り組んだ迷路である。採掘は私たちにエネルギーをもたらすが、同時に隠れた危険も残していく。それは、残された石炭が自らゆっくりと発火することである。これは、石炭が空気中の酸素と反応して熱を発生させ、その熱が蓄積して発火に至ることで起こる。これを防ぐため、エンジニアたちはしばしば特殊なフォーム（泡状の物質）を地面に注入し、隙間を埋めて酸素を遮断し、熱源を冷却する。しかし、そこには難点がある。フォームは、その場に留まり空気を遮断できるほど厚みがあり、かつ、岩の間にある細く曲がりくねった隙間に押し通れるほど流動的でなければならない。もし厚すぎれば、ポンプで遠くまで押し出すことができず、もし薄すぎれば、漏れ出したり隙間を封鎖できなかったりする。地下の世界は隠れており、直接見ることも不可能なため、この適切なバランスを見つけ出すことは困難である。
研究チームは、新しいタイプのフォームを作り出し、それが隠れた隙間の中をどのように移動するかをテストすることで、このパズルを解こうと試みた。彼らは、石炭を燃やす際に出る廃棄物であるフライアッシュ（石炭灰）に水と他の成分を混ぜ合わせ、安定した耐熱性ゲルを形成した「デュアルネットワーク・ジオポリマーフォーム」と呼ばれる素材を開発した。実験室において、このフォームが高温に耐え、石炭の燃焼を阻止できることが証明された。しかし、フォームが瓶の中で機能することを知っているのと、それがジャグジャグとした不規則な岩のネットワークの中に強制的に押し込まれたときにどのように振る舞うかを知っていることは別問題である。この溝を埋めるために、科学者たちは現実世界の実験と高度なコンピュータ・シミュレーションを組み合わせた。彼らは、詰まった岩の写真を基にしたデジタルモデルを構築して、実際の地下の空隙を模倣し、コンピュータ画面上で新しいフォームがその中をどのように流れるかを観察した。
研究者たちは、このフォームの流動性が単純な液体よりも複雑であることを発見した。水のように容易に流れるものとは異なり、このフォームには「降伏応力」がある。つまり、動かすために十分な圧力がかかるまでは、固体のように振る舞うのである。一度動き始めると、それは「剪断希薄化（せん断きはくか）」と呼ばれる挙動を示し、より薄くなって速く流れるようになる。チームがデジタル上の岩の迷路にフォームを注入するシミュレーションを行った際、この厚く粘り気のある性質が、フォームによる空間充填を妨げることはないという結果が得られた。実際、フォームが厚いゲルとして振る舞おうが単純な液体のようになろうが、空いたスペースを埋める量や時間はほぼ同じであった。違いは、どれだけのスペースを覆うかではなく、ポンプがどれほどの仕事をしなければならないかという点にあった。厚いゲル状のフォームは、薄い液体よりも、隙間を押し通すためにより高い圧力が必要となる。これは、フォームが危険な場所に到達できる一方で、注入に使用する機械は、その余分な抵抗を克服できるほど強力でなければならないことを意味している。
フォームが設置された後、次の課題は熱くなった石炭を冷却することである。研究者たちは二つの戦略をテストした。一つは、隙間が埋まった時点でフォームの流れを止めること、もう一つは、ポンプを稼働させ続け、新鮮で冷たいフォームを常に領域内に押し込み続けることである。結果は、流れを止める方法の方がはるかに効果が低いことを示した。注入を停止すると、熱い石炭の周囲に留まっているフォームはゆっくりと温度が上昇し、熱を閉じ込める毛布のような役割を果たしてしまう。石炭とフォームの温度差は縮まり、冷却は極めて遅くなる。対照的に、研究者がポンプを動かし続けた場合、新鮮で冷たいフォームが温まったフォームを絶えず置き換えていった。これにより、熱い石炭に対して冷たい材料が絶え間なく供給され、熱を効率的に奪い去るための強い温度差が維持された。
シミュレーションによれば、注入を継続することで、石炭を冷却する時間を半分以下に短縮できることが明らかになった。流れを止める方法では、石炭の過剰な熱を半分に下げるのに274秒を要したが、連続流を用いた方法では、わずか132秒で同じ結果を達成した。より長い期間で見ると、連続的な方法の方が総熱量を大幅に多く除去でき、石炭の再発火を防ぐことができた。この研究は、火災制御の成功が二つの明確な段階に依存していることを浮き彫りにしている。すなわち、材料を隙間に押し込むための初期段階であり、これにはフォームの厚みに対応できる強力なポンプが必要であること。そして、その後の冷却段階であり、熱を遠ざけ続けるために材料を絶えず刷新することに依存している。これらの二つの異なるニーズを理解することで、エンジニアはより優れたシステムを設計し、フォームが火に届くだけでなく、火を消すのに十分な間、効果を発揮し続けられるようにして、地下鉱山の安全を守ることができるのである。
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