المحاكاة الحيوية
حماية من الحرائق الغابوية – تطوير الحلول باستخدام الهيدروجيلات الحيوية القابلة للتنشيط بالحرارة
تزداد الحرائق الغابوية ضراوة وأذى في جميع أنحاء العالم. في عام 2023، تم حرق ما يقرب من 12 مليون هكتار، مما أسفر عن رقم قياسي جديد، بزيادة 24% عن السابق. هذا جعل عام 2023 أسوأ عام لحرائق الغابات على مستوى العالم، مع عام 2021 في المرتبة الثالثة و 2020 في المرتبة الرابعة.
هذا يظهر صورة واضحة: الحرائق الغابوية الكارثية تصبح أكثر ضراوة وتكرارًا وتنتشر. هذا الاتجاه واضح في جميع أنحاء الولايات المتحدة وأوروبا وأستراليا.
تزيد التغيرات المناخية من كارثة الحرائق الغابوية عن طريق تعزيز موجات الحرارة والجفاف، التي تُحدث ظروفًا جافة وساخنة تساعد على إشعال وانتشار الحرائق الغابوية.
هذا أمر بالغ القلق، لأن هذه الحرائق الغابوية تُضيف 5-8 مليارات طن من ثاني أكسيد الكربون كل عام. بالإضافة إلى ذلك، تسبب حرائق الغابات في خسارة ما يقرب من 6 ملايين هكتارات إضافية من الغطاء النباتي كل عام أكثر مما كان في عام 2001. علاوة على ذلك، تُشكل الحرائق الآن 33% من جميع خسائر الغطاء النباتي، بزيادة عن 20% منذ عقدين.
علاوة على ذلك، تؤثر الحرائق الغابوية على البشر بشكل مباشر وغير مباشر. في حين يموت مئات الأشخاص بسبب النار كل عام، يتم إجلاء أو نزوح العديد منهم بشكل دائم من منازلهم.
بشكل عام، تؤدي حوادث الحرائق الغابوية إلى خسائر مدمرة للموارد والبنية التحتية وحياة ومصير الأشخاص الذين يعيشون حول هذه المناطق والاقتصاد.
为了有效地 معالجة ومكافحة الحرائق الغابوية، نحتاج إلى حلول صديقة للبيئة يمكن أن تحسن جهود إدارة الحرائق الغابوية وسيطرة الحرائق في البرية وحماية المناطق من الضرر.
طرق حماية الحرائق: الجيلات والرغاوات والمثبطات
هناك العديد من أنظمة الكيميائية لحرائق البرية لتقليل احتمال الاشتعال وحماية المنازل والبنية التحتية. يتم تصنيف هذه الأنظمة من قبل خدمة الغابات الأمريكية على النحو التالي:
- جيلات تعزيز الماء
- مثبطات الرغوة
- مثبطات طويلة الأمد
تُزود المثبطات طويلة الأمد عادةً عبر الطائرات على المناظر الطبيعية المستهدفة بعد التكوين الكامل من خلال التخفيف بالماء. تُنتج آثارها المثبطة من مواد كيميائية مثل الفوسفات الأمونيومي التي تتمتع بالقدرة على مقاومة الحريق أو إبطاء انتشار النار. تدوم فعالية هذه المثبطات طالما بقي البقايا الكيميائية على النباتات.
فيما يتعلق بجيلات تعزيز الماء ومثبطات الرغوة، فإن كلاهما يعملان كمثبطات حريق قصيرة الأمد. هذه الحلول قادرة فقط على مقاومة النار只要 هناك ماء، مما يعني أن النار تُفقد بمجرد تبخر الماء من المواد المُستخدمة.
من بين هذه، وجدت جيلات تعزيز الماء أنها استثنائية الفعالية لحماية البنية التحتية.
تتكون جيلات تعزيز الماء عادةً من بوليمرات متعددة الامتصاص التي تتمتع بالقدرة على الاحتفاظ بقوة بالماء وكذلك تحسين رطوبة السطح. بهذه الطريقة، تعمل هذه الجيلات جيدًا كمثبطات حريق و.:.:baricades لحماية المنازل والبنية التحتية الحيوية في البرية.
تزيد انتفاخ البوليمر من سمك حاجز الماء، مما يتيح وقتًا أطول للاحتفاظ بالماء. تتيح القدرة على الاحتفاظ بالماء لمدة 30-60 دقيقة جعل هذه الأنواع من الجيلات فعالة جدًا للهجمات غير المباشرة لحماية المنازل والمباني والهياكل الأخرى قبل وصول الحرائق الغابوية.
على عكس الجيلات، تملك الرغوة وقت احتفاظ أقصر بمقدار 15-30 دقيقة ولا تتمكن من تقديم نفس مستوى الحماية مثل الجيلات للهجمات غير المباشرة. هذا يجعل جيلات تعزيز الماء استراتيجية صديقة للبيئة ومستدامة لقمع حرائق البرية.
نظرًا لأنها تعمل بشكل جيد، هناك الكثير من الجيلات متاحة في السوق للاستخدام، التي تشمل Thermo-Gel، وهو جل حريق مقاوم شائع يستخدم على نطاق واسع في الولايات المتحدة وكندا وتمت الموافقة عليه من قبل السلطات. يستخدمه كل من أصحاب المنازل والفرق المهنية لمكافحة الحرائق. يمكن تطبيق الجل على الهياكل والنباتات والسطحات الأخرى ويفعال لعدة ساعات بعد التطبيق. يمكن إزالته بالماء.
Barricade Fire Gel هو آخر واحد يُشكل طبقة جل حماية حرارية سميكة لحماية منازلكم والهياكل والمركبات وخزانات الوقود من الحريق. يُخلط مع الماء لتوفير حماية الحريق النهائية ويمكن رشها حتى 24 ساعة قبل وصول حريق البرية.
FireIce Shield يوفر طبقة حماية لمنع الأضرار الناجمة عن الاشتعال أو الحريق أو التكلس. في حين أن No-Burn Original Fire Gel هو مثبط حريق مائي يمكن تطبيقه على السطوح حيث يُشكل حاجزًا يمنع الاشتعال.
جيل مبتكر لحماية المباني أثناء الحرائق الغابوية
تعتمد جيلات تعزيز الماء على مواد الهيدروجيل. هذا لأن الهيدروجيلات هي بوليمرات يمكنها الاحتفاظ بكميات كبيرة من الماء، مما يجعلها فعالة في تشكيل حاجز يمنع النار.
تتيح هيكل البوليمر المتشابك للهيدروجيلات، الذي يجعلها غير قابلة للذوبان، لهم امتصاص و الاحتفاظ بكميات كبيرة من الماء. تتيح هذه القدرة الرائعة لهم زيادة التبريد ومدة الرطوبة عند وضع الجل على السطوح مثل النباتات.
في حين أن الهيدروجيلات بديل جذاب لمثبطات الرغوة والمثبطات التقليدية طويلة الأمد، فإنها محدودة بزمن تطبيق قصير جدًا خلال الطقس العادي لحرائق البرية.
الشيء هو أن هذه المواد تجف بسرعة وتفقد الفعالية في الرياح والحرارة العالية، التي هي نموذجية لظروف حرائق البرية. هذا يحد الاستخدام العملي للهيدروجيلات ويزيد من خطر حتى أولئك الذين يطبقون هذه المواد.
Source: Stanford Report
لمعالجة هذا القصور، طور الباحثون في ستانفورد جيلًا مُحسّنًا للحماية من الحرائق الغابوية بنتائج أفضل من الحلول المتاحة حاليًا. وفقًا للمؤلف الرئيسي إريك أبل، الذي يُعتبر أستاذًا مشاركًا لعلوم المواد والهندسة في مدرسة الهندسة:
“تحت ظروف حرائق البرية العادية، تُجف جيلات تعزيز الماء الحالية في غضون 45 دقيقة.”
نشرت هذه الأبحاث الجديدة منذ أسبوعين في Advanced Materials، و قدمت منصة جيل مُحسّن بمثابة مادة أيروجيل السيликا، مادة تجذب الاهتمام الكبير في عالم العلوم و التكنولوجيا.
تُعرف مادة الأيروجيل السيليكا بشفافيتها البصرية ومساحتها السطحية الكبيرة وconductivity الحرارية المنخفضة، ولكن الأهم من ذلك كثافتها الوزنية المنخفضة بما يصل إلى 95% من حجمها يكون هواء.
النتيجة المتولدة لأيروجيل السيликا في الدراسة الجديدة جاءت مع خصائص عازلة استثنائية خلال التنشيط بالحرارة، التي تساعد على توسيع نافذة الحماية الفعالة للمنطقة السطحية من الاشتعال.
وفقًا للدراسة، تُظهر هذه المواد خصائص حاجز مُحسّن بأكثر من 5 أضعاف مقارنة بمنتجات جيل تعزيز الماء التي تُباع حاليًا في السوق.
شكل الباحثون هذه الهيدروجيلات من تفاعلات الجسيمات البوليمرية الخلوي بين السلاسل السليلوزية (البوليمرات الحيوية) وجزيئات السيликا الجزيئية. كُشف عن أن تفاعلات الجسيمات البوليمرية تلعب دورًا حاسمًا في إنشاء درع الأيروجيل العازل بفعالية عند تبخر الماء.
وفقًا للدراسة، تُفقد الماء داخل هذه المواد بسرعة عند التعرض للموجات الحرارية، التي تؤدي إلى تشكيل شبكة صلبة من السيликا. تُشكل هذه الشبكة حاجزًا فيزيائيًا قويًا ضد النار.
تمديد الفعالية الحمائية، وفقًا لمؤلفي الدراسة، هو ما يُميّز مادهم من تكنولوجيا مكافحة الحرائق الغابوية الأخرى. و هذا ما سيُعالج فجوة في قدرتنا على مكافحة الحرائق الغابوية وحماية البنية التحتية الحيوية، كما أشار الدراسة.
اختبار وتحسين الجيل الجديد للحماية من الحرائق
تم تمويل الدراسة من قبل العلوم الوطنية مع مؤسسة غوردون و بيتي مور و زمالات شيدت ساينس، و نجحت في تطوير جيل رذاذ يحمي المنازل من أضرار الحرائق الغابوية أثناء الحرائق الغابوية، و يستمر لفترة أطول و أكثر فعالية من الخيارات التجارية الحالية.
السماح byn نافذة تطبيق أوسع يعني أنه يمكن رش الجيل قبل النار و ما زال حماية النار. و عندما تأتي النار، فمن المفترض أن تكون أفضل.
كانت المنصة الجديدة قيد الاعمال لمدة سنوات. في العودة إلى 2019، استخدم أبل و الفريق الجيل نفس هو للحفاظ على مثبطات الحرائق الغابوية على النباتات لفترة طويلة.
يُطلق عليها أبل تطوير الجيل الجديد “مصادفة”، و أوضح أنهم كانوا حريصين على سلوك هذه الجيلات بحد ذاتها. لذا وضعوا بعض الجل على الخشب ثم استخدموا مشعل موجود حول المختبر لإعطاء النار. هذا أدى إلى نتيجة مثيرة للاهتمام من الجل الذي ينفخ إلى رغوة أيروجيل.
الشيء هو أن جيلات تعزيز الماء تستخدم بوليمرات متعددة الامتصاص للحماية من النار، التي هي في حقيقة مثل مسحوق الامتصاص الموجود في حفاضات الأطفال. عند مزيج هذه الجيلات مع الماء و رشها على هيكل، قبل المنزل، تنتفخ إلى مادة لزجة سميكة. تُلتصق المادة بخارج السطح و تُنتج درع مائي.
بسبب الظروف الجافة والحرارة العالية حول الحرائق الغابوية التي تسبب في تبخر الماء المدموع بسرعة، أضاف باحثو ستانفورد جزيئات السيликا إلى الجيل مع البوليمر السليلوزي. لذا عند تعرض الجل إلى الحرارة و تبخر الماء، تُترك جزيئات السيликا و تُشكل رغوة. تكون الرغوة عازلة جيدًا و تمنع انتقال الحرارة. من خلال توزيع الحرارة، تُحمي الsurface الأسفل كاملًا.
“هذه الانطلاقة البيئية تتجاوز الحلول التجارية الحالية، و توفر دفاعًا فائقًا و متناسقًا ضد الحرائق. “
– تشانجكسين دونغ، مؤلف الدراسة الرئيسي
为了 تقييم الجيل الجديد، طبق الباحثون عديد من التركيبات على قطع من الخشب و عرضوها على النار المباشرة. كشفت الاختبارات أن التركيبة الأكثر فعالية للفريق استمرت لمدة تجاوزت السبع دقائق قبل بدء تجفيف قطع الخشب. هذا كان أطول بكثير من أقل من 90 ثانية لم تستمر جيل تعزيز الماء التجاري عند اختبارها ب同じ الطريقة.
“الجيلات التقليدية لا تعمل عند جفافها”، قال أبل، مشيرًا إلى أن جيلهم يستمر في حماية السطوح التي تُطبق عليها حتى بعد تبخر الماء، و عند انتهاء النار، يمكن إزالتها بسهولة بالماء.
على الرغم من حصول الفريق على النجاح الأول، إلا أن هذا استلزم الكثير من الهندسة لتحسين التركيبة. و كونها مكونة من مكونات غير سامة، هذا ي意味ى أنها آمنة للبشر و البيئة. علاوة على ذلك، يُسهل تكسير البوليمر في التربة بواسطة الميكروبات.
في الوقت الحالي، أمل أبل في إجراء تطبيق و تقييم الجيل على مستوى الطيار. هذا سيسمح لأبل و الفريق ببدء استخدام هذه الجيلات لحماية البنية التحتية الحيوية عند مرور النار.
الشركات المشاركة في حماية النار و علوم المواد
نظرًا لأهمية الحلول الفعالة، هناك عديد من الشركات المشاركة في مختلف جوانب حلول مكافحة الحرائق.
على مثال، تُقدم PPG Industries و Sherwin-Williams طلاء حماية من النار، في الوقت نفس هو تُقدم Ecolab حلول مائية و نظافة و مكافحة العدوى، إضافة إلى خدمات مكافحة النار و الإنقاذ لمختلف الصناعات.
الآن، لننظر بعمق في بعض الأسماء البارزة:
#1. شركة 3M
تُنتج شركة 3M مجموعة من منتجات حماية من النار، بما في ذلك جيل مكافحة النار و رغاوات. هذه الشركة التكنولوجية المتنوعة مشاركة في مختلف القطاعات، بما في ذلك المواد المسحوقة، نظم التخفي، الأسواق الكهربائية، السلامة الشخصية، رمل السقف، اللصاقات الصناعية، منتجات الطلاء الرذاذ، المواد المتقدمة، السيارات و الفضاء، و حلول تجارية و مواد عرض، إضافة إلى البحوث و التطوير الواسع لإنشاء منتجات أفضل.
(MMM )
مع قيمة سوقية تبلغ 72.3 مليار دولار، تُباع أسهم شركة 3M حاليًا بسعر 131.43 دولار، بزيادة 20.39% من السنوات. ربح الشركة للسهم التراكمي يبلغ 1.40 دولار، ونسبة الربح إلى السعر تتراوح بين 93.93، و عائد الдивيدند يبلغ 2.13%.
للفصل الرابع من عام 2024، أفادت الشركة بمبيعات معدلة بلغت 6.3 مليار دولار، بخفض 0.5% عن السنوات. كان الflux العملياتي يبلغ مليار دولار، و ربح الشركة التراكمي كان 2.17 دولار، بزيادة 117% عن السنوات. ربح الشركة المعدل كان 1.93 دولار، بزيادة 39% عن السنوات. دفع 786 مليون دولار إلى المساهمين من الdividends و شراء الأسهم.
“لقد قمنا بتسليم ربع قوي مع نمو الأرباح المعدلة بمعدل مزدوج الرقام و توليد مالي قوي.
– مدير شركة 3M و الرئيس التنفيذي و وليام براون
كما أشار إلى أن التركيز اللاحق سيكون على توجيه الرأس المال بفعالية، و تحسين الأداء العملياتي، و دفع النمو العضوي للمبيعات.
#2. شركة Dow Inc.
تشارك شركة Dow في إنتاج مواد متقدمة مثل البوليمرات المتعددة الامتصاص التي تُستخدم في الهيدروجيلات. كما تُقدم الشركة مجموعة من المنتجات لمقاومة النار، بما في ذلك DOWSIL Smoke Seal 800SL، الذي هو مادة سيليكونية يمكن أن تساعد على منع انتشار النار و الدخان بين فجوات الطوابق. تشارك شركة Dow أيضًا في التعبئة، الطاقة، و حلول المستهلك.
(DOW )
مع قيمة سوقية تبلغ 37.5 مليار دولار، تُباع أسهم شركة Dow حاليًا بسعر 53.51 دولار، بخفض 2.43% من السنوات. ربح الشركة للسهم التراكمي يبلغ 1.62 دولار، ونسبة الربح إلى السعر تتراوح بين 33.11، و عائد الдивيدند يبلغ 5.23%.
للفصل الرابع من عام 2024، أفادت شركة Dow بمبيعات صافية بلغت 10.9 مليار دولار، بخفض 4% عن السنوات. كان الflux العملياتي يبلغ 832 مليون دولار، و الflux الحر يبلغ 109 مليون دولار، مما مكن شركة Dow من إرجاع 691 مليون دولار إلى مساهميها من الdividends و شراء الأسهم. كان ربح الشركة يبلغ 0.62 دولار، و ربح الشركة المعدل يبلغ 0.68 دولار.
“كان معدل استعادة الاقتصاد العالمي أبطأ من المتوقع. نحن ما زال نركز على رأس المال العامل، و تخفيض التكاليف، و تطابق معدلات التشغيل مع الطلب الحالي. نحن نبتكر مع عملائنا.
– مدير شركة Dow Inc. و الرئيس التنفيذي جيم فيتيرلينغ
الختام
تستمر الحرائق الغابوية في إحداث الخراب في جميع أرجاء العالم. في العام الماضي، أفادت التقارير أن الحرائق الغابوية التي اجتاحت غابات كندا أفرجت 647 مليون طن من الغازات الدفيئة، أكثر من ما تُصدره سبع دول كبيرة في العالم. ثم هناك حقيقة أن ما يصل إلى 80 مليون ممتلكات في الولايات المتحدة تتعرض لخطر الحرائق.
نظرًا لخطر الحرائق الغابوية، هناك حاجة ملحة للبحث و الابتكار و التقدم الحاسم في مجال الحماية من النار. تكنولوجيا الهيدروجيل التي طورتها علماء ستانفورد هي مثال على هذه التقنيات، التي يمكن أن تساعد في حماية المنازل و الأرواح و النظم البيئية.
انقر هنا لمعرفة قائمة بالشركات التي تعمل على حلول لمواجهة تغير المناخ.
