Ponieważ zmiany klimatyczne powodują cieplejsze, bardziej suche warunki, obserwujemy dłuższe sezony pożarów z większymi, częstszymi pożarami lasów. W ostatnich latach katastrofalne pożary lasów zniszczyły domy i infrastrukturę, spowodowały druzgocące straty w ludziach i środkach do życia ludzi mieszkających na dotkniętych obszarach oraz uszkodziły zasoby dzikiej przyrody i gospodarkę. Potrzebujemy nowych rozwiązań, aby zwalczać pożary lasów i chronić obszary przed szkodami.
Naukowcy ze Stanford opracowali żel poprawiający jakość wody, który można rozpylać na domach i krytycznej infrastrukturze, aby pomóc im nie spłonąć podczas pożarów lasów. Badania, opublikowane 21 sierpnia w Advanced Materials, pokazują, że nowe żele są trwalsze i znacznie skuteczniejsze niż istniejące komercyjne żele.
„W typowych warunkach pożaru lasów obecne żele zwiększające zawartość wody wysychają w ciągu 45 minut” — powiedział Eric Appel, adiunkt nauk materiałowych i inżynierii w School of Engineering, który jest starszym autorem artykułu. „Opracowaliśmy żel, który ma szersze okno zastosowania — można go rozpylić przed pożarem i nadal korzystać z ochrony — i będzie działał lepiej, gdy nadejdzie pożar.
Długotrwała ochrona
Żele zwiększające wchłanianie wody są wykonane z superabsorbujących polimerów – podobnych do proszku absorbującego znajdującego się w pieluchach jednorazowych. Zmieszane z wodą i rozpylone na budynku, pęcznieją w galaretowatą substancję, która przylega do zewnętrznej części konstrukcji, tworząc grubą, mokrą osłonę. Jednak warunki w pobliżu pożaru są ekstremalnie suche – temperatury mogą sięgać prawie 100 stopni, wieją silne wiatry i wilgotność wynosi zero procent – a nawet woda zamknięta w żelu paruje dość szybko.
W żelu zaprojektowanym przez Appela i jego współpracowników woda stanowi tylko pierwszą warstwę ochrony. Oprócz polimeru na bazie celulozy żel zawiera cząsteczki krzemionki, które pozostają, gdy żele są poddawane działaniu ciepła. „Odkryliśmy wyjątkowe zjawisko, w którym miękki, gąbczasty hydrożel płynnie przechodzi w wytrzymałą osłonę aerożelową pod wpływem ciepła, oferując ulepszoną i długotrwałą ochronę przed pożarami lasów. To przełomowe rozwiązanie ekologiczne przewyższa obecne rozwiązania komercyjne, oferując lepszą i skalowalną obronę przed pożarami lasów” — powiedział główny autor badania, Changxin „Lyla” Dong.
„Kiedy woda się zagotuje i cała celuloza się wypali, zostają nam cząsteczki krzemionki zebrane w piankę” – powiedział Appel. „Ta pianka jest wysoce izolacyjna i rozprasza całe ciepło, całkowicie chroniąc podłoże pod nią”.
Krzemionka tworzy aerożel – stałą, porowatą strukturę, która jest szczególnie dobrym izolatorem. Podobne aerożele krzemionkowe są stosowane w zastosowaniach kosmicznych, ponieważ są niezwykle lekkie i mogą zapobiegać większości metod transferu ciepła.
Naukowcy przetestowali kilka formulacji swojego nowego żelu, nakładając je na kawałki sklejki i wystawiając je na bezpośrednie działanie płomienia z ręcznego palnika gazowego, który pali się w znacznie wyższej temperaturze niż pożar lasu. Ich najskuteczniejsza formulacja utrzymywała się przez ponad 7 minut, zanim deska zaczęła się zwęglać. Kiedy przetestowali w ten sam sposób dostępny w sprzedaży żel zwiększający zawartość wody, chronił on sklejkę przez mniej niż 90 sekund.
„Tradycyjne żele nie działają, gdy wyschną” – powiedział Appel. „Nasze materiały tworzą ten aerożel krzemionkowy, gdy są wystawione na działanie ognia, który nadal chroni poddane obróbce podłoża po odparowaniu całej wody. Materiały te można łatwo zmyć, gdy ogień zgaśnie”.
Niespodziewane odkrycie
Nowe żele bazują na wcześniejszych pracach Appela nad zapobieganiem pożarom lasów. W 2019 r. Appel i jego współpracownicy użyli tych samych żeli jako nośnika do utrzymywania środków zmniejszających palność na roślinności przez wiele miesięcy. Formuła miała pomóc w zapobieganiu zapłonowi na obszarach podatnych na pożary lasów.
„Pracujemy z tą platformą od lat” – powiedział Appel. „To nowe odkrycie było w pewnym sensie zrządzeniem losu – zastanawialiśmy się, jak te żele zachowają się same, więc po prostu rozgnieciliśmy je na kawałku drewna i wystawiliśmy na działanie płomieni z palnika, który mieliśmy w laboratorium. Zaobserwowaliśmy superfajny efekt, gdy żele napęczniały i zamieniły się w piankę aerożelową”.
Po tym początkowym sukcesie, potrzeba było kilku lat dodatkowej inżynierii, aby zoptymalizować formułę. Jest ona teraz stabilna w przechowywaniu, łatwo rozpylana przy użyciu standardowego sprzętu i dobrze przylega do wszelkiego rodzaju powierzchni. Żele są wykonane z nietoksycznych składników, które zostały już zatwierdzone do użytku przez US Forest Service, a naukowcy przeprowadzili badania, aby wykazać, że są one łatwo rozkładane przez mikroby glebowe.
„Są bezpieczne zarówno dla ludzi, jak i dla środowiska” – powiedział Appel. „Może być konieczna dodatkowa optymalizacja, ale mam nadzieję, że będziemy mogli przeprowadzić pilotażową aplikację i ocenę tych żeli, abyśmy mogli ich użyć do ochrony krytycznej infrastruktury w przypadku pożaru”.
Pozostali współautorzy tej pracy pochodzą z California Polytechnic State University.
Prace te były finansowane przez Fundację Gordona i Betty Moore, Schmidt Science Fellows i National Science Foundation.