Beskyttelse mod skovbrande – Fremme af løsninger med ‘Varmeaktiverbare biomimetiske hydrogel’

Skovbrande bliver mere alvorlige og forårsager skader over hele verden. I 2023 blev næsten 12 millioner hektar brændt, hvilket satte en ny rekord, 24 % højere end den forrige. Dette gjorde 2023 til det værste år for globale skovbrande, med 2021 som det tredje værste og 2020 som det fjerde.

Dette viser et klart billede: katastrofale skovbrande bliver mere alvorlige, hyppigere og mere udbredte. Denne tendens er tydelig i USA, Europa og Australien.  

Klimaændringer forværrer yderligere skovbrande ved at intensivere hedebølger og tørke, som skaber tørre og varme forhold, der hjælper med at antænde og sprede skovbrande.

Dette er yderst bekymrende, da disse skovbrande hvert år tilføjer 5–8 milliarder ton CO₂. Derudover forårsager skovbrande nu tabet af næsten 6 millioner flere hektar trædække om året end i 2001. Endvidere udgør brande nu 33 % af alt tab af trædække, op fra 20 % for to årtier siden.

Udover alt dette påvirker skovbrande mennesker både direkte og indirekte. Mens flere hundrede mennesker dør i brandene hvert år, bliver mange flere evakueret eller permanent fordrevet fra deres hjem.

Samlet set medfører skovbrandshændelser ødelæggende tab af ressourcer, infrastruktur, liv og levebrød for folk, der bor i disse områder, samt økonomien.

For effektivt at tackle og bekæmpe skovbrande har vi brug for miljøvenlige løsninger, der kan forbedre indsatsen for skovbrandstyring, kontrollere brande i vilde områder og beskytte områder mod skader.

Brandbeskyttelsesmetoder: Gel, Skum og Retardanter

Der findes flere kemiske systemer til vilde brande, som kan reducere sandsynligheden for antændelse og beskytte boliger og infrastruktur. Disse systemer kategoriseres af US Forest Service som:

• Vandforstærkende gel
• Skumsuppressioner
• Langtidsretardanter

Langtidsretardanter leveres typisk via flyvemaskiner over målområder efter fuld sammensætning gennem vandfortynding. Deres retarderingseffekter produceres af kemikalier som ammoniumfosfater, som har evnen til at modstå forbrænding eller bremse brandspredning. Effektiviteten af disse retardanter varer så længe den kemiske rest forbliver på vegetation.

Hvad angår vandforstærkende gel og skumsuppressioner, fungerer de begge som kortvarige brandslukningsmidler. Disse løsninger kan kun modstå brand så længe der er vand, hvilket betyder, at når vandet fordamper fra de påførte materialer, går brandmodstanden også tabt.

Blandt disse har vandforstærkende gel vist sig at være usædvanligt effektive til at beskytte infrastruktur. 

Vandforstærkende gel består typisk af superabsorberende polymerer, der har evnen til stærkt at holde på vand samt forbedre overfladens våde egenskaber. På denne måde fungerer disse gel meget godt som brandslukningsmidler og barrierer til at beskytte boliger og kritisk infrastruktur i vilde områder.

Polymerens svulst øger faktisk tykkelsen af vandbarrieren, hvilket muliggør en længere vandretentionstid. Evnen til at holde på vand i 30–60 min gør disse typer gel meget effektive til indirekte angreb for at beskytte boliger, bygninger og andre strukturer før skovbrande.

I modsætning til gelene har skum en kortere retentionstid på kun 15–30 min og kan ikke give samme beskyttelsesniveau som gel for indirekte angreb. Dette gør vandforstærkende gel til en miljøvenlig og bæredygtig strategi for at undertrykke vilde brande.

Da de fungerer så godt, er der mange gel’er tilgængelige på markedet til brug, herunder Thermo-Gel, en populær brandhæmmende gel, der anvendes i vid udstrækning i USA og Canada og er godkendt af myndighederne. Den bruges både af boligejere og professionelle brandbekæmpelsesteams. Gelen kan påføres strukturer, vegetation og andre overflader og er effektiv i flere timer efter påføring. Den kan fjernes med vand.

Barricade Fire Gel er en anden, der danner en tyk termisk beskyttende gelbelægning for at beskytte dine hjem, strukturer, køretøjer og brændstoftanke mod at blive brændt af brand. Den blandes med vand for at give en fuldstændig brandbeskyttelse og sprøjtes op til 24 timer før en nærgående skovbrand.

FireIce Shield giver et beskyttende lag for at forhindre skader forårsaget af antændelse, forbrænding eller forkulning. No-Burn Original Fire Gel er derimod en vandbaseret brandhæmmende gel, der kan påføres overflader, hvor den danner en barriere, der modstår antændelse.

Innovativ gel til beskyttelse af bygninger under skovbrande

Vandforstærkende gel har en tendens til at indeholde hydrogelmaterialer. Dette skyldes, at hydrogel er polymerer, der kan holde store mængder vand, hvilket gør dem effektive til at danne en barriere, der modstår brand.

Hydrogelers krydsbundne polymerstruktur, som gør dem uopløselige, er det, der gør dem i stand til effektivt at absorbere og holde store mængder vand. Denne utrolige evne til at lagre vand muliggør øget køling og fugtighedsvarighed, når gelen påføres overflader som vegetation.

Selvom hydrogel er et attraktivt alternativ til skumsuppressioner og traditionelle langtidsretardanter, er de begrænset til en meget kort anvendelsesperiode under typisk skovbrandvejr. 

Problemet er, at disse materialer hurtigt tørrer og mister effektivitet under vind og høj varme, som er typisk for skovbrandforhold. Dette begrænser den praktiske anvendelse af hydrogel kraftigt og øger desuden risikoen for dem, der påfører disse materialer.

Kilde: Stanford Report

For at imødekomme denne begrænsning har forskere ved Stanford udviklet en vandforstærkende gel for at hjælpe med at forhindre, at boliger og kritisk infrastruktur brændes af skovbrande, med meget bedre resultater end de nuværende tilgængelige løsninger. Ifølge seniorforfatter Eric Appel, der er lektor i materialvidenskab og -ingeniørkunst på School of Engineering:

“Under typiske skovbrandforhold tørrer nuværende vandforstærkende gel ud på 45 minutter.”  

Udgivet for et par uger siden i Advanced Materials, den nye forskning har introduceret en vandforstærkende hydrogelplatform, der omdannes til en silikaerogel, et materiale, der vækker stor interesse inden for videnskab og teknologi.

Silikaerogel er kendt for sin optiske gennemsigtighed, høje overfladeareal og lave termiske ledningsevne, men vigtigere er dens lave massefylde, hvor op til 95 % af volumen er luft.

Den resulterende silikaerogel i den seneste undersøgelse kom med enestående isolerende egenskaber under varmeaktivering, hvilket hjælper med at udvide det effektive vindue for overfladebeskyttelse mod antændelse.

Ifølge undersøgelsen viser disse materialer barriereegenskaber, der er forbedret med mere end 5‑fold i forhold til vandforstærkende gelprodukter, der i øjeblikket sælges på markedet.

Forskerne dannede disse hydrogel via polymer-partikel (PP) interaktioner mellem cellulosekæder (biopolymerer) og kolloidale silikapartikler. PP-interaktionerne viste sig faktisk at spille en nøglerolle i effektivt at skabe den varmeisolerende aerogelskjold ved vandfordampning.

Ifølge undersøgelsen mister vandet i disse materialer hurtigt, når de udsættes for flammepåvirkning, hvilket fører til dannelsen af et robust solidt silikannetværk. Dette netværk fungerer som en stærk fysisk barriere mod brand.

Ifølge forfatterne er forlængelsen af den beskyttende effektivitet det, der adskiller deres materiale fra andre skovbrandundertrykkende teknologier. Og dette er det, der effektivt vil udfylde et hul i vores evne til at bekæmpe skovbrande og beskytte kritisk infrastruktur, bemærker undersøgelsen.

Testning og optimering af den nye brandgel

Finansieret af National Science Foundation sammen med Gordon & Betty Moore Foundation og Schmidt Science Fellows, har studiet fra Stanford University haft succes med at udvikle en spraybar gel, der beskytter bygninger mod skovbrandskader, samtidig med at den holder længere og er mere effektiv end eksisterende kommercielle alternativer.

At have et bredere anvendelsesvindue betyder, at man kan sprøjte gelen på forhånd af branden og stadig få beskyttelse. Og når branden kommer, skal den fungere endnu bedre.

Den nye platform har været under udvikling i flere år. Allerede i 2019 blev den samme gel brugt af Appel og teamet til at holde skovbrandretardanter på vegetation i lang tid.

Appel kaldte den nye udvikling “serendipitous” og forklarede, at de var nysgerrige på gelens adfærd på egen hånd. Så de lagde blot noget på træ og brugte derefter en fakkel fra laboratoriet til at udsætte den for flammer. Dette resulterede i et “super fedt resultat”, hvor gelen oppustede til en aerogelskum.

Problemet er, at vandforstærkende gel bruger superabsorberende polymerer til brandbeskyttelse, hvilket faktisk svarer til det absorberende pulver, der findes i dit barns engangsble.

Når disse gel’er blandes med vand og derefter sprøjtes på en struktur, f.eks. dit hjem, svulmer de op til en klæbrig og tyk substans. Substansen klæber til overfladens yderside og danner et vådt skjold.

På grund af de ekstremt tørre og høje temperaturforhold omkring skovbrande, som får vandet i gelen til hurtigt at fordampe, indarbejdede Stanford-forskerne også silikapartikler sammen med en cellulosebaseret polymer.

Så når gel’erne udsættes for varme og vandet fordamper, efterlades silikapartiklerne og samles til en skum. Skummet er stærkt isolerende og forhindrer varmetransmission. Ved at sprede varmen beskytter det “fuldstændigt” overfladen nedenunder.

“Dette miljøbevidste gennembrud overgår nuværende kommercielle løsninger og tilbyder et overlegen og skalerbar forsvar mod skovbrande.”

– Changxin Dong, studiets hovedforfatter

For at vurdere den nye gel påførte forskerne flere formuleringer på krydsfinerstykker og udsatte dem derefter for direkte flamme. Flammen fra gasfakkelen brænder ved en betydeligt højere temperatur end vilde brande.

Testning viste, at den mest effektive sammensætning fra teamet holdt i over syv minutter, før krydsfinerstykkerne begyndte at blive forkullede. Dette var langt længere end de mindre end 90 sekunder, som en kommercielt tilgængelig vandforstærkende gel holdt, når den blev testet på samme måde.

“Traditionelle gel’er virker ikke, når de er tørret ud,” sagde Appel og bemærkede, at i modsætning til dem fortsætter deres gel med at beskytte de overflader, den påføres, efter alt vandet er fordampet, og når branden er væk, kan den også let vaskes væk.

Selvom teamet opnåede første succes for flere år siden, krævede det meget ingeniørarbejde at optimere formuleringen. At den er fremstillet af ikke-giftige komponenter betyder også, at den er “sikker for både mennesker og miljøet,” sagde Appel. Derudover nedbrydes polymeren i gelen let af jordmikrober.

Selvom der kan være behov for yderligere optimering, håber Appel at udføre en pilot-skala anvendelse og evaluering af disse gel’er. Dette vil gøre det muligt for Appel og teamet at begynde at bruge dem til at beskytte kritisk infrastruktur, når en brand rammer.

Klik her for at lære, hvordan AI og en voksende ‘Occurrence Database’ vil hjælpe med at bekæmpe skovbrande.

Virksomheder involveret i brandbeskyttelse & materialvidenskab

Da det er så kritisk at have effektive løsninger, er der en række virksomheder involveret i forskellige aspekter af skovbrandafhjælpningsløsninger.

For eksempel tilbyder PPG Industries (PPG ) og Sherwin-Williams (SHW ) brandbeskyttende belægninger, mens Ecolab primært fokuserer på vand-, hygiejne- og infektionsforebyggelsesløsninger, selvom de også leverer brand- og redningstjenester til en række industrier.

Lad os nu se nærmere på et par fremtrædende navne:

#1. 3M Company 

3M producerer en række brandbeskyttelsesprodukter, herunder brandbekæmpelsesgel og skum. Dette diversificerede teknologivirksomhed er også involveret i slibemidler, maskeringssystemer, elektriske markeder, personlig sikkerhed, taggranulater, industrielle lim, malingssprayprodukter, avancerede materialer, bil- og luftfartssektoren, kommercielle løsninger, displaymaterialer og mere, ud over omfattende F&U for at skabe bedre produkter og løsninger.

Med en markedsværdi på 72,3 mia. $, handles 3M-aktier i øjeblikket til $131,43, op 20,39 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er 1,40, med en P/E (TTM) ratio på 93,93 og en udbytteafkast på 2,13 %.

For Q2 2024 rapporterede virksomheden rapportere $6,3 mia. i justerede salg, hvilket var 0,5 % lavere år‑til‑år, mens driftskontantstrømmen var $1 mia. GAAP EPS fra fortsatte operationer var $2,17, op 117 % år‑til‑år. Justeret EPS steg også 39 % år‑til‑år til $1,93, mens $786 mia. blev udbetalt til aktionærer via udbytter og aktietilbagekøb.

“Vi leverede endnu et stærkt kvartal med justeret indtjeningsvækst i tosifrede tal og robust cash‑generering.”

– 3M CEO William Brown

Han bemærkede også, at deres fokus fremover er på effektivt at anvende kapital, øge driftspræstationen og drive vedvarende organisk omsætningsvækst.

#2. Dow Inc.

Dow er involveret i produktionen af avancerede materialer som superabsorberende polymerer, der bruges i hydrogel. Virksomheden tilbyder også en række produkter til brandmodstand, herunder DOWSIL™ Smoke Seal 800SL, som er en silikoneforsegling, der kan hjælpe med at forhindre spredning af røg og flammer mellem gulvforbindelser. Dow er også involveret i emballage, energi og forbrugerløsninger.

Med en markedsværdi på 37,5 mia. $, handles Dow-aktier i øjeblikket til $53,51, ned 2,43 % år‑til‑dato. Virksomhedens EPS (TTM) er 1,62, dens P/E (TTM) ratio er 33,11, og dens udbytteafkast er 5,23 %.

For Q2 2024 rapporterede Dow rapportere $10,9 mia. i nettoomsætning, hvilket var et fald på 4 % år‑til‑år, mens salget steg 1 % drevet af gevinster i Performance Materials & Coatings. Kontantstrømmen fra driften var $832 mia., mens fri cash flow var $109 mia., hvilket gjorde det muligt for Dow at returnere $691 mia. til sine aktionærer. Dens egenkapitalindtjening steg $9 mia. sekventielt. GAAP EPS var $0,62, mens drifts‑EPS var $0,68.

“Tempoet i den globale makroøkonomiske genopretning har været langsommere end forventet. Vi forbliver fokuseret på arbejdskapital, omkostningsreduktion og tilpasning af vores driftsrater til den aktuelle efterspørgsel. Vi innoverer sammen med vores kunder.”

– Dow Inc. CEO Jim Fitterling 

Konklusion

Den ukontrollerede forbrænding af vegetation (dvs. skovbrande) fortsætter med at forårsage kaos globalt. Sidste år rapporterede skovbrande, der hærgede Canadas skove, at de frigav 647 megaton CO₂‑udslip—mere end hvad de syv største udledende lande gør årligt. Derudover er næsten 80 millioner ejendomme i USA i fare for skovbrand.

Da skovbrande fortsat udgør alvorlige risici, er der et presserende behov for konstant forskning, innovation og kritiske fremskridt, såsom de hydrogel, der er udviklet af forskere ved Stanford University. Disse teknologier kan hjælpe med at opretholde effektiviteten under skovbrande og beskytte boliger, liv og økosystemer.

Klik her for en liste over virksomheder, der arbejder på løsninger til at bekæmpe den globale opvarmningstrussel.