المحاكاة الحيوية
الحماية من حرائق الغابات – تعزيز الحلول باستخدام ‘الهيدروجيل الحيوي المقلد للحرارة القابل للتفعيل’
تزداد حرائق الغابات شدة وتسبب أضرارًا في جميع أنحاء العالم. في عام 2023، تم حرق ما يقرب من 12 مليون هكتار، مسجلة رقمًا قياسيًا جديدًا، بارتفاع 24٪ عن السابق. جعل ذلك عام 2023 أسوأ سنة لحرائق الغابات العالمية، حيث احتل عام 2021 المرتبة الثالثة والأسوأ، وعام 2020 الرابع.
هذا يُظهر صورة واضحة: حرائق الغابات الكارثية تصبح أكثر شدة، وتزداد تواترًا وانتشارًا. هذا الاتجاه واضح في الولايات المتحدة وأوروبا وأستراليا.
تفاقم التغير المناخي كارثة حرائق الغابات من خلال تكثيف موجات الحر والجفاف، مما يخلق ظروفًا جافة وحارة تساعد على نشوب وانتشار الحرائق.
هذا مقلق للغاية، حيث تضيف هذه الحرائق ما بين 5 إلى 8 مليارات طن من ثاني أكسيد الكربون كل عام. بالإضافة إلى ذلك، تتسبب حرائق الغابات الآن في فقدان ما يقرب من 6 ملايين هكتار إضافية من الغطاء الشجري سنويًا مقارنةً بعام 2001. علاوة على ذلك، تشكل الحرائق الآن 33٪ من إجمالي فقدان الغطاء الشجري، مرتفعة من 20٪ قبل عقدين.
وعلاوة على ذلك، تؤثر حرائق الغابات على البشر مباشرةً وغير مباشرةً. بينما يموت مئات الأشخاص بسبب الحريق كل عام، يُجبر الكثيرون على الإخلاء أو يُنزع عن منازلهم بشكل دائم.
بشكل عام، تؤدي حوادث حرائق الغابات إلى خسائر مدمرة في الموارد والبنية التحتية وحياة وسبل عيش الأشخاص الذين يعيشون حول هذه المناطق، وكذلك في الاقتصاد.
من أجل معالجة ومكافحة حرائق الغابات بفعالية، نحتاج إلى حلول صديقة للبيئة يمكنها تحسين جهود إدارة الحرائق، السيطرة على الحرائق داخل الأراضي البرية، وحماية المناطق من الأضرار.
طرق الحماية من الحرائق: الجل، الرغوات، والمثبطات
هناك عدة أنظمة كيميائية لحرائق البرية موجودة لتقليل احتمال الاشتعال وحماية المنازل والبنية التحتية. تصنف هذه الأنظمة من قبل خدمة الغابات الأمريكية على النحو التالي:
- جلود معززة بالماء
- مُثبطات الرغوة
- المثبطات طويلة الأمد
عادةً ما تُوزع المثبطات طويلة الأمد عبر الطائرات فوق المناطق المستهدفة بعد تكوينها الكامل من خلال تخفيفها بالماء. تُنتج تأثيراتها المثبطة بواسطة مواد كيميائية مثل فوسفات الأمونيوم التي لديها القدرة على مقاومة الاحتراق أو إبطاء انتشار الحريق. تستمر فعالية هذه المثبطات طالما بقيت البقايا الكيميائية على النبات.
أما بالنسبة للجلود المعززة بالماء والرغوات المثبطة، فهما يعملان كمثبطات حرائق قصيرة الأمد. هذه الحلول لا تستطيع مقاومة الحريق إلا طالما هناك ماء، مما يعني أنه بمجرد تبخره من المواد المطبقة، تُفقد مقاومة الحريق.
من بين هذه، وُجد أن الجلود المعززة بالماء فعّالة بشكل استثنائي في حماية البنية التحتية.
عادةً ما تتكون الجلود المعززة بالماء من بوليمرات فائقة الامتصاص التي تمتلك القدرة على احتجاز الماء بقوة وكذلك تحسين قابلية سطحية للبلل. بهذه الطريقة، تعمل هذه الجلود بشكل جيد كمثبطات حرائق وحواجز لحماية المنازل والبنية التحتية الحيوية في البرية.
إن انتفاخ البوليمر يزيد فعليًا من سمك الحاجز المائي، مما يتيح وقتًا أطول لاحتفاظ الماء. القدرة على احتفاظ الماء لمدة 30-60 دقيقة تجعل هذه الأنواع من الجلود فعّالة جدًا في الهجمات غير المباشرة لحماية المنازل والمباني والهياكل الأخرى أمام حرائق الغابات.
على عكس الجلود، فإن الرغوة لديها وقت احتفاظ أقصر لا يتجاوز 15-30 دقيقة ولا تستطيع توفير نفس مستوى الحماية كالجلود للهجمات غير المباشرة. هذا يجعل الجلود المعززة بالماء استراتيجية صديقة للبيئة ومستدامة لقمع حرائق البرية.
نظرًا لفعاليته الكبيرة، هناك العديد من الجلود المتاحة في السوق للاستخدام، والتي تشمل Thermo-Gel، وهو جل مقاوم للحريق شائع يُستخدم على نطاق واسع في الولايات المتحدة وكندا ومُعتمد من قبل السلطات. يُستخدم من قبل أصحاب المنازل وفرق الإطفاء المهنية. يمكن تطبيق الجل على الهياكل والنباتات والأسطح الأخرى ويظل فعالًا لعدة ساعات بعد التطبيق. يمكن إزالته بالماء.
Barricade Fire Gel هو آخر يُشكل طبقة جل حرارية سميكة لحماية منازلكم والهياكل والمركبات وخزانات الوقود من الحريق. يُخلط بالماء لتوفير حماية من الحريق بالكامل ويُرش قبل وصول حريق غابة بمدة تصل إلى 24 ساعة.
يوفر FireIce Shield طبقة واقية لمنع الأضرار الناجمة عن الاشتعال أو الحرق أو التشويه. في الوقت نفسه، يُعد No-Burn Original Fire Gel مادة مقاومة للحريق تعتمد على الماء يمكن تطبيقها على الأسطح حيث تُشكل حاجزًا يقاوم الاشتعال.
جل مبتكر لحماية المباني أثناء حرائق الغابات
تميل الجلود المعززة بالماء إلى دمج مواد الهيدروجيل. ذلك لأن الهيدروجيل هو بوليمر يمكنه احتفاظ كميات كبيرة من الماء، مما يجعله فعالًا في تشكيل حاجز يقاوم الحريق.
التركيب المتقاطع للبوليمرات في الهيدروجيل، الذي يجعله غير قابل للذوبان، هو ما يمكنه من امتصاص واحتفاظ كميات كبيرة من الماء بفعالية. هذه القدرة المذهلة على تخزين الماء تمكن من زيادة مدة التبريد والبلل عندما يُوضع الجل على أسطح مثل النباتات.
على الرغم من كونه بديلاً جذابًا للمثبطات الرغوية والمثبطات التقليدية طويلة الأمد، فإن الهيدروجيل محدود بفترة تطبيق قصيرة جدًا خلال ظروف حرائق الغابات المعتادة.
المشكلة هي أن هذه المواد تجف بسرعة وتفقد فعاليتها تحت الرياح والحرارة العالية، وهي ظروف شائعة في حرائق الغابات. هذا يحد بشدة من الاستخدام العملي للهيدروجيل، بل ويزيد من المخاطر على من يطبق هذه المواد.
المصدر: Stanford Report
لمواجهة هذا القيد، طور باحثون في جامعة ستانفورد جلًا معززًا بالماء للمساعدة في منع حرق المنازل والبنية التحتية الحيوية بواسطة حرائق الغابات، مع نتائج أفضل بكثير من الحلول المتاحة حاليًا. وفقًا للمؤلف الرئيسي إريك أبيل، أستاذ مشارك في علوم المواد والهندسة في كلية الهندسة:
«في ظل ظروف حرائق الغابات المعتادة، تجف الجلود المعززة بالماء الحالية خلال 45 دقيقة.»
نُشرت قبل بضعة أسابيع في مجلة Advanced Materials، وقد قدمت الأبحاث الجديدة منصة هيدروجيل معززة بالماء تتحول إلى أيروجيل سيليكا، مادة تجذب الكثير من الاهتمام في عالم العلوم والتكنولوجيا.
يُعرف أيروجيل السيليكا بشفافيته البصرية، ومساحته السطحية العالية، وتوصيله الحراري المنخفض، ولكن الأهم من ذلك كثافته الكتلية المنخفضة حيث يصل إلى 95٪ من حجمه هو هواء.
أظهر أيروجيل السيليكا الناتج في الدراسة الأخيرة خصائص عزل استثنائية أثناء تنشيط الحرارة، مما يساعد على توسيع نافذة الحماية السطحية الفعّالة من الاشتعال.
وفقًا للدراسة، تُظهر هذه المواد خصائص الحواجز محسّنة بأكثر من 5 أضعاف مقارنة بمنتجات الجلود المعززة بالماء المتوفرة حاليًا في السوق.
كوّن الباحثون هذه الهيدروجيل عبر تفاعلات بوليمر-جسيم (PP) بين سلاسل السليلوز (البوليمرات الحيوية) وجسيمات السيليكا الغروية. وقد تبين أن تفاعلات PP تلعب دورًا أساسيًا في إنشاء درع أيروجيل عازل للحرارة بفعالية عند تبخر الماء.
وفقًا للدراسة، يفقد الماء داخل هذه المواد بسرعة عند تعرضه للهب، مما يؤدي إلى تكوين شبكة سيليكا صلبة قوية. تعمل هذه الشبكة كحاجز مادي قوي ضد الحريق.
وفقًا للمؤلفين، فإن إطالة فعالية الحماية هو ما يميز موادهم عن تقنيات مكافحة حرائق الغابات الأخرى. وهذا ما سيعالج بفعالية الفجوة في قدرتنا على مكافحة حرائق الغابات وحماية البنية التحتية الحيوية، وفقًا للدراسة.
اختبار وتحسين الجل الناري الجديد
بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم، إلى جانب مؤسسة غوردون وبيتي مور وشركة شميت للعلوم، نجحت الدراسة من جامعة ستانفورد في تطوير جل قابل للرش يحمي المباني من أضرار حرائق الغابات مع بقاء أطول وفعالية أكبر مقارنة بالخيارات التجارية الحالية.
امتلاك نافذة تطبيق أوسع يعني إمكانية رش الجل مسبقًا قبل الحريق والحصول على حمايته. وعندما يأتي الحريق، من المفترض أن يعمل بشكل أفضل.
تم تطوير المنصة الجديدة لسنوات. في عام 2019، استخدم أبيل والفريق نفس الجل للحفاظ على المثبطات الحرائق على النباتات لفترة طويلة.
وصف أبيل التطوير الجديد بأنه “مصادفة سعيدة”، موضحًا أنهم كانوا فضوليين بشأن سلوك هذه الجلود بمفردها. لذا وضعوا بعضها على الخشب ثم استخدموا شعلة موجودة في المختبر لتعرضها للهب. نتج عن ذلك “نتيجة رائعة” حيث انتفخ الجل وتحول إلى رغوة أيروجيل.
المسألة هي أن الجلود المعززة بالماء تستخدم بوليمرات فائقة الامتصاص للحماية من الحريق، وهو ما يشبه مسحوق الامتصاص الموجود في حفاضات الأطفال القابلة للتصرف.
عند خلط هذه الجلود بالماء ثم رشها على هيكل، مثل منزلك، تنتفخ لتصبح مادة لزجة وسميكة. تلتصق المادة بسطح الخارج وتنتج درعًا مبللًا.
نظرًا للظروف الجافة للغاية وارتفاع درجات الحرارة حول حرائق الغابات التي تتسبب في تبخر الماء المحبوس في الجل بسرعة، أدمج الباحثون في ستانفورد أيضًا جسيمات سيليكا إلى جانب بوليمر قائم على السليلوز.
لذا، عندما تتعرض الجلود للحرارة ويتبخر الماء، تبقى جسيمات السيليكا وتتشكل إلى رغوة. هذه الرغوة عازلة للغاية، تمنع انتقال الحرارة. من خلال توزيع الحرارة، تحمي “تمامًا” السطح أسفلها.
«هذا الاختراق الواعي بيئيًا يتجاوز الحلول التجارية الحالية، مقدماً دفاعًا متفوقًا وقابلًا للتوسع ضد حرائق الغابات.»
– تشانغشين دونغ، المؤلف الرئيسي للدراسة
لتقييم الجل الجديد، طبق الباحثون عدة تركيبات على قطع من الخشب الرقائقي ثم عرضوها للهب المباشر. يحترق لهب الشعلة الغازية بدرجة حرارة أعلى بكثير من حرائق البرية.
أظهر الاختبار أن التركيبة الأكثر فعالية للفريق استمرت أكثر من سبع دقائق قبل أن تبدأ قطع الخشب الرقائقي بالاحتراق. كان ذلك أطول بكثير من أقل من 90 ثانية التي استمر فيها جل معزز بالماء تجاري متاح عند اختباره بنفس الطريقة.
قال أبيل: “الجلود التقليدية لا تعمل بمجرد جفافها”، مشيرًا إلى أن جلهم، على عكسها، يواصل حماية الأسطح التي يُطبق عليها بعد تبخر كل الماء، وعند انتهاء الحريق يمكن غسله بسهولة.
بينما حقق الفريق نجاحًا أوليًا قبل عدة سنوات، استغرق الأمر الكثير من الهندسة لتحسين التركيبة. كونها مصنوعة من مكونات غير سامة يعني أيضًا أنها “آمنة لكل من الناس والبيئة”، حسب أبيل. بالإضافة إلى ذلك، يتحلل البوليمر في الجل بسهولة بواسطة ميكروبات التربة.
بينما قد تكون هناك حاجة لمزيد من التحسين، يأمل أبيل في إجراء تطبيق تجريبي على نطاق تجريبي وتقييم لهذه الجلود. سيمكن ذلك أبيل والفريق من البدء في استخدامها لحماية البنية التحتية الحيوية عندما يمر حريق.
انقر هنا لتعرف كيف سيساعد الذكاء الاصطناعي وقاعدة بيانات الحوادث المتنامية في مكافحة حرائق الغابات.
الشركات المشاركة في حماية الحرائق وعلوم المواد
نظرًا لأهمية وجود حلول فعّالة، هناك عدد من الشركات المشاركة في جوانب مختلفة من حلول التخفيف من حرائق الغابات.
على سبيل المثال، تقدم شركتا PPG Industries وSherwin-Williams طلاءات حماية من الحرائق، بينما تركز شركة Ecolab أساسًا على حلول المياه والنظافة ومنع العدوى، رغم أنها تقدم أيضًا خدمات الإطفاء والإنقاذ لمجموعة متنوعة من الصناعات.
الآن، دعونا نلقي نظرة أعمق على بعض الأسماء البارزة:
#1. 3M Company
تنتج شركة 3M مجموعة متنوعة من منتجات الحماية من الحرائق، بما في ذلك جلود وإسفنج الإطفاء. تشارك هذه الشركة التقنية المتنوعة أيضًا في مجال المواد الكاشطة، وأنظمة القناع، والأسواق الكهربائية، والسلامة الشخصية، وحبيبات الأسقف، والمواد اللاصقة الصناعية، ومنتجات رش الطلاء، والمواد المتقدمة، والسيارات والفضاء، والحلول التجارية، ومواد العرض، وغيرها، بالإضافة إلى أبحاث وتطوير واسعة لإنشاء منتجات وحلول أفضل.
(MMM )
بقيمة سوقية تبلغ 72.3 مليار دولار، يتم تداول أسهم 3M حاليًا عند 131.43 دولار، بارتفاع 20.39٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو 1.40، مع نسبة السعر إلى الربح (TTM) 93.93 وعائد توزيعات 2.13٪.
في الربع الثاني من عام 2024، أعلنت الشركة عن مبيعات معدلة بقيمة 6.3 مليار دولار، بانخفاض 0.5٪ مقارنةً بالعام السابق، بينما كان التدفق النقدي التشغيلي 1 مليار دولار. كان ربح السهم وفقًا لمبادئ GAAP من العمليات المستمرة 2.17 دولار، بارتفاع 117٪ مقارنةً بالعام السابق. ارتفع ربح السهم المعدل أيضًا بنسبة 39٪ إلى 1.93 دولار، بينما تم دفع 786 مليون دولار للمساهمين عبر توزيعات الأرباح وإعادة شراء الأسهم.
«حققنا ربعًا قويًا آخر مع نمو الأرباح المعدلة بأرقام مزدوجة وتوليد نقدي قوي.»
– الرئيس التنفيذي لشركة 3M ويليام براون
كما أشار إلى أن تركيزهم المستقبلي سيكون على توظيف رأس المال بفعالية، وزيادة الأداء التشغيلي، وتعزيز نمو الإيرادات العضوية المستدام.
#2. Dow Inc.
تشارك شركة Dow في إنتاج مواد متقدمة مثل البوليمرات فائقة الامتصاص المستخدمة في الهيدروجيل. كما تقدم الشركة مجموعة متنوعة من المنتجات المقاومة للحرائق، بما في ذلك DOWSIL™ Smoke Seal 800SL، وهو مادة سيليكونية يمكن أن تساعد في منع انتشار الدخان واللهب بين مفاصل الأرضيات. تشارك Dow أيضًا في مجال التعبئة والتغليف، والطاقة، وحلول المستهلك.
(DOW )
بقيمة سوقية تبلغ 37.5 مليار دولار، يتم تداول أسهم Dow حاليًا عند 53.51 دولار، بانخفاض 2.43٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) للشركة هو 1.62، ونسبة السعر إلى الربح (TTM) هي 33.11، وعائد التوزيعات 5.23٪.
في الربع الثاني من عام 2024، أعلنت Dow عن صافي مبيعات بقيمة 10.9 مليار دولار، بانخفاض 4٪ مقارنةً بالعام السابق، بينما ارتفعت المبيعات بنسبة 1٪ بفضل الزيادة في مواد الأداء والطلاءات. كان التدفق النقدي من العمليات 832 مليون دولار، بينما كان التدفق النقدي الحر 109 مليون دولار، مما مكن Dow من إرجاع 691 مليون دولار إلى مساهميها. ارتفعت أرباح حقوق الملكية بمقدار 9 ملايين دولار على التوالي. كان ربح السهم وفقًا لمبادئ GAAP 0.62 دولار، بينما كان ربح السهم التشغيلي 0.68 دولار.
«سرعة التعافي الاقتصادي الكلي العالمي كانت أبطأ من المتوقع. ما زلنا نركز على رأس المال العامل، وخفض التكاليف، ومطابقة معدلات تشغيلنا مع الطلب الحالي. نحن نبتكر مع عملائنا.»
– الرئيس التنفيذي لشركة Dow Inc. جيم فيترلينغ
الخلاصة
لا يزال الحريق غير المتحكم فيه للنباتات (أي حرائق الغابات) يسبب الفوضى عالميًا. في العام الماضي، أُفادت أن حرائق الغابات التي اجتاحت غابات كندا أطلقت 647 ميغاطن من الغازات الدفيئة—أكثر مما تنتجه أكبر سبع دول مُصدرة سنويًا. وهناك أيضًا حقيقة أن ما يقرب من 80 مليون عقار في الولايات المتحدة معرض لخطر حرائق الغابات.
مع استمرار حرائق الغابات في تمثيل مخاطر شديدة، هناك حاجة ملحة للبحث المستمر والابتكار والتقدمات الحرجة، مثل الهيدروجيل الذي طوره علماء جامعة ستانفورد. يمكن لهذه التقنيات المساعدة في الحفاظ على الفعالية أثناء حرائق الغابات وحماية المنازل والحياة والأنظمة البيئية.
انقر هنا للحصول على قائمة بالشركات التي تعمل على حلول لمواجهة خطر الاحتباس الحراري.
