Ένα νέο gel θα μπορούσε να προστατεύσει κτίρια και υποδομές από καταστροφικές πυρκαγιές

Καθώς η κλιματική αλλαγή δημιουργεί θερμότερες και ξηρότερες συνθήκες, βλέπουμε μεγαλύτερες περιόδους πυρκαγιάς με μεγαλύτερες και συχνότερες πυρκαγιές. Τα τελευταία χρόνια, οι καταστροφικές πυρκαγιές διέλυσαν σπίτια και υποδομές, προκάλεσαν καταστροφικές απώλειες στη ζωή και το εισόδημα των ανθρώπων που ζουν στις πληγείσες περιοχές και προκάλεσαν ζημιές στους πόρους της άγριας γης και στην οικονομία. Χρειαζόμαστε νέες λύσεις για την καταπολέμηση των πυρκαγιών και την προστασία των περιοχών από τις ζημιές.

Ερευνητές του Stanford ανέπτυξαν ένα τζελ που ενισχύει το νερό και το οποίο θα μπορούσε να ψεκάζεται σε σπίτια και κρίσιμες υποδομές, ώστε να μην καίγονται κατά τη διάρκεια πυρκαγιών. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στις 21 Αυγούστου στο Advanced Materials, δείχνει ότι τα νέα τζελ διαρκούν περισσότερο και είναι σημαντικά πιο αποτελεσματικά από τα υπάρχοντα εμπορικά τζελ.

«Σε τυπικές συνθήκες πυρκαγιάς, τα τρέχοντα τζελ που ενισχύουν το νερό στεγνώνουν σε 45 λεπτά», δήλωσε ο Eric Appel, αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στη Σχολή Μηχανικών του Stanford, ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας της δημοσίευσης. «Αναπτύξαμε ένα τζελ που θα έχει ένα ευρύτερο παράθυρο εφαρμογής - μπορείτε να το ψεκάσετε περισσότερο πριν από τη φωτιά και να εξακολουθείτε να έχετε το όφελος της προστασίας - και θα λειτουργεί καλύτερα σε περίπτωση που έρθει η φωτιά».

Τα τζελ που ενισχύουν το νερό είναι κατασκευασμένα από υπερ-απορροφητικά πολυμερή, παρόμοια με την απορροφητική σκόνη που βρίσκεται στις πάνες μίας χρήσης. Αναμιγνύονται με νερό και ψεκάζονται σε ένα κτίριο, διογκώνονται σε μια ζελατινώδη ουσία που προσκολλάται στο εξωτερικό της κατασκευής, δημιουργώντας μια παχιά, υγρή ασπίδα. Όμως οι συνθήκες στην περιοχή μιας πυρκαγιάς είναι εξαιρετικά ξηρές, με ισχυρούς ανέμους και μηδενική υγρασία, με αποτέλεσμα και ακόμη και το νερό που είναι κλειδωμένο σε ένα τζελ εξατμίζεται αρκετά γρήγορα.

Στο τζελ που σχεδίασαν ο Appel και οι συνάδελφοί του, το νερό είναι μόνο το πρώτο στρώμα προστασίας. Εκτός από ένα πολυμερές με βάση την κυτταρίνη, το τζελ περιέχει σωματίδια διοξειδίου του πυριτίου, τα οποία μένουν πίσω όταν τα τζελ εκτίθενται σε θερμότητα. «Ανακαλύψαμε ένα μοναδικό φαινόμενο όπου ένα μαλακό, εύπλαστο υδροτζέλ μετατρέπεται απρόσκοπτα σε μια στιβαρή ασπίδα aerogel υπό την επίδραση της θερμότητας, προσφέροντας ενισχυμένη και μακράς διάρκειας προστασία από πυρκαγιές. Αυτή η περιβαλλοντικά συνειδητή ανακάλυψη ξεπερνά τις τρέχουσες εμπορικές λύσεις, προσφέροντας μια ανώτερη και επεκτάσιμη άμυνα κατά των πυρκαγιών», δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Changxin “Lyla” Dong.

«Όταν το νερό βράζει και όλη η κυτταρίνη καίγεται, μας μένουν τα σωματίδια πυριτίας που συναρμολογούνται σε έναν αφρό», δήλωσε ο Appel. «Αυτός ο αφρός είναι εξαιρετικά μονωτικός και καταλήγει να διαχέει όλη τη θερμότητα, προστατεύοντας πλήρως το υπόστρωμα που βρίσκεται από κάτω του».

Το διοξείδιο του πυριτίου σχηματίζει μια αερογέλη, μια στερεή, πορώδη δομή που είναι ιδιαίτερα καλός μονωτής. Παρόμοια αεροτζέλ πυριτίας χρησιμοποιούνται σε διαστημικές εφαρμογές επειδή είναι εξαιρετικά ελαφριά και μπορούν να αποτρέψουν τις περισσότερες μεθόδους μεταφοράς θερμότητας.

Οι ερευνητές δοκίμασαν διάφορες συνθέσεις του νέου τους τζελ εφαρμόζοντας τα σε κομμάτια κόντρα πλακέ και εκθέτοντας τα σε άμεση φλόγα από ένα γκαζάκι χειρός, το οποίο καίει σε σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία από μια πυρκαγιά. Η αποτελεσματικότερη σύνθεση τους άντεξε για περισσότερα από 7 λεπτά προτού η σανίδα αρχίσει να απανθρακώνεται. Όταν δοκίμασαν με τον ίδιο τρόπο ένα τζελ που διατίθεται στο εμπόριο για την ενίσχυση του νερού, προστάτευσε το κόντρα πλακέ για λιγότερο από 90 δευτερόλεπτα.

«Τα παραδοσιακά τζελ δεν λειτουργούν όταν στεγνώσουν», δήλωσε ο Appel. «Τα δικά μας υλικά σχηματίζουν αυτό το αεροτζέλ από πυρίτιο όταν εκτίθενται στη φωτιά, το οποίο συνεχίζει να προστατεύει τα επεξεργασμένα υποστρώματα αφού εξατμιστεί όλο το νερό. Αυτά τα υλικά μπορούν εύκολα να ξεπλυθούν μόλις η φωτιά φύγει».

Τα νέα τζελ βασίζονται σε προηγούμενες εργασίες του Appel για την πρόληψη πυρκαγιών. Το 2019, ο Appel και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν τα ίδια αυτά τζελ ως όχημα για τη συγκράτηση των επιβραδυντικών μέσων κατά των πυρκαγιών στη βλάστηση για μήνες κάθε φορά. Το σκεύασμα είχε ως στόχο να βοηθήσει στην πρόληψη της ανάφλεξης σε περιοχές που είναι επιρρεπείς σε πυρκαγιές.

«Δουλεύουμε με αυτή την πλατφόρμα εδώ και χρόνια», δήλωσε ο Appel. «Αυτή η νέα εξέλιξη ήταν κάπως τυχαία - αναρωτιόμασταν πώς θα συμπεριφέρονταν αυτά τα τζελ από μόνα τους, οπότε απλά λιώσαμε μερικά σε ένα κομμάτι ξύλο και τα εκθέσαμε στις φλόγες από ένα φλόγιστρο που είχαμε στο εργαστήριο. Αυτό που παρατηρήσαμε ήταν αυτό το σούπερ δροσερό αποτέλεσμα όπου τα τζελ φούσκωναν σε έναν αφρό aerogel».

Μετά από αυτή την αρχική επιτυχία, χρειάστηκαν αρκετά χρόνια πρόσθετης μηχανικής για τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης. Τώρα είναι σταθερό στην αποθήκευση, ψεκάζεται εύκολα με τυποποιημένο εξοπλισμό και προσκολλάται καλά σε όλα τα είδη επιφανειών. Τα τζελ είναι κατασκευασμένα από μη τοξικά συστατικά που έχουν ήδη εγκριθεί για χρήση από τη δασική υπηρεσία των ΗΠΑ και οι ερευνητές διεξήγαγαν μελέτες για να δείξουν ότι διασπώνται εύκολα από τα μικρόβια του εδάφους.

«Είναι ασφαλή τόσο για τους ανθρώπους όσο και για το περιβάλλον», δήλωσε ο Appel. «Ίσως χρειαστεί να υπάρξει πρόσθετη βελτιστοποίηση, αλλά η ελπίδα μου είναι ότι θα μπορέσουμε να κάνουμε πιλοτική εφαρμογή και αξιολόγηση αυτών των τζελ, ώστε να μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για να βοηθήσουμε στην προστασία κρίσιμων υποδομών όταν ξεσπάσει πυρκαγιά».

[via]