Bionik
Schutz vor Waldbränden – Fortschrittliche Lösungen mit ‘wärmeaktivierbaren biomimetischen Hydrogelen’
Waldbrände werden immer schwerwiegender und verursachen weltweit Schäden. Im Jahr 2023, wurden fast 12 Millionen Hektar verbrannt, was einen neuen Rekord darstellte, 24 % höher als zuvor. Das machte 2023 zum schlimmsten Jahr für globale Waldbrände, wobei 2021 das dritt‑schlimmste und 2020 das vierte war.
Das zeigt ein klares Bild: Katastrophale Waldbrände werden schwerwiegender, treten immer häufiger auf und verbreiten sich. Dieser Trend ist in den USA, Europa und Australien erkennbar.
Der Klimawandel verschärft die Waldbrandkatastrophe weiter, indem er Hitzewellen und Dürreperioden intensiviert, die trockene und heiße Bedingungen schaffen, die das Entzünden und Ausbreiten von Waldbränden begünstigen.
Das ist äußerst besorgniserregend, da diese Waldbrände jedes Jahr 5–8 Milliarden Tonnen Kohlendioxid hinzufügen. Zusätzlich verursachen Waldbrände jetzt den Verlust von fast 6 Millionen zusätzlichen Hektar Baumbedeckung pro Jahr im Vergleich zu 2001. Darüber hinaus machen Brände nun 33 % des gesamten Baumbedeckungsverlustes aus, gegenüber 20 % vor zwei Jahrzehnten.
Zusätzlich zu alledem betreffen Waldbrände Menschen sowohl direkt als auch indirekt. Während jedes Jahr Hunderte Menschen durch das Feuer sterben, werden viele weitere evakuiert oder dauerhaft aus ihren Häusern vertrieben.
Insgesamt führen Waldbrandereignisse zu verheerenden Verlusten an Ressourcen, Infrastruktur, dem Leben und dem Lebensunterhalt der Menschen in diesen Gebieten sowie zur Wirtschaft.
Um Waldbrände wirksam anzugehen und zu bekämpfen, benötigen wir umweltfreundliche Lösungen, die das Management von Waldbränden verbessern, Brände in Wildgebieten kontrollieren und Gebiete vor Schäden schützen.
Feuerschutzmethoden: Gele, Schäume und Verzögerungsmittel
Es gibt mehrere chemische Systeme für Waldbrände, die die Zündwahrscheinlichkeit verringern und Häuser sowie Infrastruktur schützen sollen. Diese Systeme werden vom US Forest Service wie folgt kategorisiert:
- Wasserverstärkende Gele
- Schaumunterdrücker
- Langzeit‑Verzögerungsmittel
Langzeit‑Verzögerungsmittel werden in der Regel per Flugzeug über die Zielgebiete ausgebracht, nachdem sie vollständig durch Wasserverdünnung gemischt wurden. Ihre verzögernde Wirkung wird durch Chemikalien wie Ammoniumphosphate erzeugt, die die Fähigkeit besitzen, das Brennen zu verhindern oder die Ausbreitung des Feuers zu verlangsamen. Die Wirksamkeit dieser Verzögerungsmittel hält so lange an, wie die chemischen Rückstände auf der Vegetation verbleiben.
Was die wasserverstärkenden Gele und Schaumunterdrücker betrifft, so funktionieren beide als kurzfristige Brandschutzmittel. Diese Lösungen können das Feuer nur so lange widerstehen, wie Wasser vorhanden ist, was bedeutet, dass sobald es von den aufgetragenen Materialien verdampft, der Feuerschutz ebenfalls verloren geht.
Unter diesen haben sich wasserverstärkende Gele als außergewöhnlich wirksam beim Schutz von Infrastruktur erwiesen.
Wasserverstärkende Gele bestehen in der Regel aus superabsorbierenden Polymeren, die die Fähigkeit besitzen, Wasser stark zu binden sowie die Oberflächenbenetzbarkeit zu verbessern. Auf diese Weise fungieren diese Gele sehr gut als Brandschutzmittel und Barrieren, um Häuser und kritische Infrastruktur im Wildland zu schützen.
Das Aufquellen des Polymers erhöht tatsächlich die Dicke der Wasserbarriere, was eine längere Wasserhaltezeit ermöglicht. Die Fähigkeit, Wasser für 30–60 Min zu halten, macht diese Gele sehr effektiv für indirekte Angriffe, um Häuser, Gebäude und andere Strukturen vor Waldbränden zu schützen.
Im Gegensatz zu den Gelen hat Schaum eine kürzere Haltezeit von lediglich 15-30 Min und ist nicht in der Lage, das gleiche Schutzniveau wie Gele für indirekte Angriffe zu bieten. Das macht wasserverstärkende Gele zu einer umweltfreundlichen und nachhaltigen Strategie, um Waldbrände zu unterdrücken.
Da sie so gut funktionieren, gibt es viele Gele auf dem Markt, darunter Thermo‑Gel, ein beliebtes feuerhemmendes Gel, das in den USA und Kanada weit verbreitet und von den Behörden zugelassen ist. Es wird sowohl von Hausbesitzern als auch von professionellen Feuerwehrteams verwendet. Das Gel kann auf Bauwerke, Vegetation und andere Oberflächen aufgetragen werden und bleibt mehrere Stunden nach der Anwendung wirksam. Es kann mit Wasser entfernt werden.
Barricade Fire Gel ist ein weiteres Produkt, das eine dicke thermische Schutzschicht bildet, um Häuser, Bauwerke, Fahrzeuge und Kraftstofftanks vor dem Verbrennen durch Feuer zu schützen. Es wird mit Wasser gemischt, um einen absoluten Feuerschutz zu bieten, und bis zu 24 Stunden vor einem herannahenden Waldbrand aufgesprüht.
FireIce Shield bietet eine Schutzschicht, um Schäden durch Zündung, Verbrennung oder Verkohlung zu verhindern. No‑Burn Original Fire Gel ist hingegen ein wasserbasiertes Feuerhemmungsmittel, das auf Oberflächen aufgetragen werden kann, wo es eine Barriere bildet, die einer Zündung widersteht.
Innovatives Gel zum Schutz von Gebäuden während Waldbränden
Wasserverstärkende Gele neigen dazu, Hydrogel‑Materialien zu integrieren. Das liegt daran, dass Hydrogele Polymere sind, die große Mengen Wasser speichern können, wodurch sie effektiv eine feuerresistente Barriere bilden.
Die vernetzte Polymerstruktur von Hydrogelen, die sie unlöslich macht, ermöglicht es ihnen, effektiv große Mengen Wasser aufzunehmen und zu speichern. Diese unglaubliche Fähigkeit, Wasser zu speichern, sorgt für eine verlängerte Kühl- und Benetzungsdauer, wenn das Gel auf Oberflächen wie Vegetation aufgetragen wird.
Obwohl sie eine attraktive Alternative zu Schaumunterdrückern und traditionellen Langzeit‑Verzögerungsmitteln darstellen, sind Hydrogele auf einen sehr kurzen Anwendungszeitraum während typischer Waldbrandbedingungen beschränkt.
Das Problem ist, dass diese Materialien bei Wind und hoher Hitze, wie sie bei Waldbränden üblich sind, schnell austrocknen und an Wirksamkeit verlieren. Das schränkt die praktische Anwendung von Hydrogelen stark ein und erhöht zudem das Risiko für diejenigen, die diese Materialien einsetzen.
Quelle: Stanford Report
Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forscher der Stanford University ein wasserverstärkendes Gel entwickelt, um zu verhindern, dass Häuser und kritische Infrastruktur durch Waldbrände verbrannt werden, mit deutlich besseren Ergebnissen als die derzeit verfügbaren Lösungen. Laut dem leitenden Autor Eric Appel, der außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und -technik an der School of Engineering ist:
„Unter typischen Waldbrandbedingungen trocknen aktuelle wasserverstärkende Gele in 45 Minuten.“
Vor ein paar Wochen in Advanced Materials veröffentlicht, hat die neue Forschung eine wasserverstärkende Hydrogelplattform vorgestellt, die sich in ein Silica‑Aerogel verwandelt, ein Material, das großes Interesse in der Wissenschaft und Technologie weckt.
Silica‑Aerogel ist bekannt für seine optische Transparenz, große Oberfläche und niedrige Wärmeleitfähigkeit, aber noch wichtiger ist seine geringe Dichte, wobei bis zu 95 % seines Volumens aus Luft besteht.
Das resultierende Silica‑Aerogel in der neuesten Studie wies außergewöhnliche Isolationseigenschaften während der Hitzeaktivierung auf, was hilft, das effektive Zeitfenster des Oberflächenschutzes vor Zündung zu erweitern.
Laut der Studie zeigen diese Materialien Barriereeigenschaften, die um mehr als das Fünffache im Vergleich zu derzeit auf dem Markt erhältlichen wasserverstärkenden Gelprodukten verbessert sind.
Die Forscher bildeten diese Hydrogele über Polymer‑Partikel‑Interaktionen (PP) zwischen zellulosebasierten Ketten (Biopolymere) und kolloidalen Silicapartikeln. Die PP‑Interaktionen erwiesen sich tatsächlich als entscheidend für die effektive Schaffung einer hitzeisolierenden Aerogel‑Barriere bei Wasserverdampfung.
Laut der Studie geht das Wasser in diesen Materialien bei Flammeneinwirkung schnell verloren, was dann zur Bildung eines robusten festen Silicannetzwerks führt. Dieses Netzwerk wirkt als robuste physische Barriere gegen Feuer.
Die Verlängerung der Schutzwirksamkeit, so die Autoren, unterscheidet ihr Material von anderen Waldbrandunterdrückungstechnologien. Und das wird, so die Studie, eine Lücke in unserer Fähigkeit, Waldbrände zu bekämpfen und kritische Infrastruktur zu schützen, wirksam schließen.
Testen und Optimieren des neuen Feuergels
Finanziert von der National Science Foundation zusammen mit der Gordon & Betty Moore Foundation und den Schmidt Science Fellows, war die Studie der Stanford University erfolgreich bei der Entwicklung eines sprühbaren Gels, das Gebäude vor Waldbrandschäden schützt und länger hält sowie wirksamer ist als bestehende kommerzielle Optionen.
Ein breiteres Anwendungsfenster bedeutet, dass man das Gel im Voraus sprühen kann und dennoch Schutz erhält. Und wenn das Feuer kommt, soll es noch besser funktionieren.
Die neue Plattform wird seit Jahren entwickelt. Bereits 2019 wurde dasselbe Gel von Appel und seinem Team verwendet, um Waldbrandverzögerer lange auf der Vegetation zu halten.
Appel bezeichnete die neue Entwicklung als „glücklichen Zufall“ und erklärte, dass sie neugierig auf das Verhalten dieser Gele allein waren. Sie legten also etwas auf Holz und benutzten dann eine im Labor liegende Lötlampe, um es Flammen auszusetzen. Das Ergebnis war ein „super cooles Ergebnis“, bei dem das Gel zu einem Aerogel‑Schaum aufschäumte.
Das Problem ist, dass wasserverstärkende Gele superabsorbierende Polymere für den Feuerschutz verwenden, die tatsächlich dem absorbierenden Pulver in Einwegwindeln von Kindern ähneln.
Wenn diese Gele mit Wasser gemischt und dann auf ein Bauwerk, zum Beispiel Ihr Haus, gesprüht werden, quellen sie zu einer klebrigen, dicken Substanz auf. Diese Substanz haftet an der Außenseite der Oberfläche und erzeugt eine nasse Schutzschicht.
Aufgrund der extrem trockenen und hochtemperaturigen Bedingungen bei Waldbränden, die das im Gel eingeschlossene Wasser schnell verdampfen lassen, haben die Stanford‑Forscher zudem Silicapartikel zusammen mit einem zellulosebasierten Polymer integriert.
Wenn die Gele also Hitze ausgesetzt werden und das Wasser verdampft, bleiben die Silicapartikel zurück und bilden einen Schaum. Der Schaum ist stark isolierend und verhindert den Wärmetransfer. Durch die Verteilung der Wärme schützt er die darunterliegende Oberfläche „vollständig“.
„Dieser umweltbewusste Durchbruch übertrifft aktuelle kommerzielle Lösungen und bietet einen überlegenen, skalierbaren Schutz gegen Waldbrände.“
– Changxin Dong, leitender Autor der Studie
Um das neue Gel zu bewerten, wendeten die Forscher mehrere Formulierungen auf Sperrholzstücke an und setzten sie anschließend direkter Flamme aus. Die Flamme der Gasschweißlampe brennt bei deutlich höherer Temperatur als Waldbrände.
Tests zeigten, dass die wirksamste Zusammensetzung des Teams über sieben Minuten hielt, bevor die Sperrholzstücke zu verkohlen begannen. Das war deutlich länger als die weniger als 90 Sekunden, die ein kommerziell erhältliches wasserverstärkendes Gel unter denselben Bedingungen hielt.
„Traditionelle Gele funktionieren nicht, sobald sie austrocknen“, sagte Appel und bemerkte, dass ihr Gel im Gegensatz dazu die Oberflächen, auf die es aufgetragen wird, weiterhin schützt, nachdem das gesamte Wasser verdampft ist, und nach dem Erlöschen des Feuers leicht abgewaschen werden kann.
Obwohl das Team bereits vor mehreren Jahren erste Erfolge erzielte, erforderte es viel Ingenieurarbeit, um die Formulierung zu optimieren. Da es aus ungiftigen Komponenten besteht, ist es laut Appel „sicher für Menschen und Umwelt“. Außerdem wird das Polymer im Gel leicht von Bodenmikroben abgebaut.
Obwohl möglicherweise weiterer Optimierungsbedarf besteht, hofft Appel, eine Pilotanwendung und Bewertung dieser Gele durchzuführen. Dies wird es Appel und seinem Team ermöglichen, sie zum Schutz kritischer Infrastruktur einzusetzen, wenn ein Feuer durchbricht.
Unternehmen, die im Bereich Feuerschutz & Materialwissenschaften tätig sind
Da es entscheidend ist, wirksame Lösungen zu haben, gibt es eine Reihe von Unternehmen, die an verschiedenen Aspekten von Waldbrand‑Minderungs‑Lösungen beteiligt sind.
Zum Beispiel bieten PPG Industries und Sherwin‑Williams feuerbeständige Beschichtungen an, während Ecolab hauptsächlich auf Wasser-, Hygiene‑ und Infektionspräventionslösungen fokussiert ist, jedoch auch Feuer‑ und Rettungsdienste für verschiedene Branchen bereitstellt.
Nun werfen wir einen genaueren Blick auf einige namhafte Unternehmen:
#1. 3M Company
3M stellt eine Vielzahl von Feuerschutzprodukten her, darunter Löschgele und Schäume. Dieses diversifizierte Technologieunternehmen ist zudem in den Bereichen Schleifmittel, Maskierungssysteme, Elektromärkte, persönliche Sicherheit, Dachgranulate, Industrie‑Klebstoffe, Farbsprühprodukte, fortschrittliche Materialien, Automobil‑ und Luftfahrt, kommerzielle Lösungen, Display‑Materialien und mehr tätig und betreibt umfangreiche F&E, um bessere Produkte und Lösungen zu schaffen.
(MMM )
Mit einer Marktkapitalisierung von 72,3 Milliarden $, handeln die 3M‑Aktien derzeit bei 131,43 $, ein Anstieg von 20,39 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt 1,40, das KGV (TTM) liegt bei 93,93 und die Dividendenrendite beträgt 2,13 %.
Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen berichtet $6,3 Mrd. an bereinigten Umsätzen, was im Jahresvergleich um 0,5 % zurückging, während der operative Cashflow 1 Mrd. $ betrug. Das GAAP‑EPS aus fortgeführten Geschäften lag bei 2,17 $, ein Anstieg von 117 % im Jahresvergleich. Das bereinigte EPS stieg ebenfalls um 39 % im Jahresvergleich auf 1,93 $, während 786 Mio. $ an Aktionäre über Dividenden und Aktienrückkäufe ausgeschüttet wurden.
„Wir haben ein weiteres starkes Quartal mit zweistelligem Wachstum des bereinigten Gewinns und robuster Cash‑Generierung geliefert.“
– 3M‑CEO William Brown
Er bemerkte zudem, dass ihr zukünftiger Fokus darauf liegt, Kapital effektiv einzusetzen, die operative Leistung zu steigern und ein nachhaltiges organisches Umsatzwachstum voranzutreiben.
#2. Dow Inc.
Dow ist an der Herstellung von fortschrittlichen Materialien wie superabsorbierenden Polymeren beteiligt, die in Hydrogelen verwendet werden. Das Unternehmen bietet zudem eine Vielzahl von Produkten für Feuerbeständigkeit an, darunter DOWSIL™ Smoke Seal 800SL, ein Silikon‑Dichtmittel, das die Ausbreitung von Rauch und Flammen zwischen Bodenkanten verhindern kann. Dow ist außerdem in den Bereichen Verpackung, Energie und Konsumgüterlösungen tätig.
(DOW )
Mit einer Marktkapitalisierung von 37,5 Milliarden $, handeln die Dow‑Aktien derzeit bei 53,51 $, ein Rückgang von 2,43 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) des Unternehmens beträgt 1,62, das KGV (TTM) liegt bei 33,11 und die Dividendenrendite beträgt 5,23 %.
Für das 2. Quartal 2024 meldete Dow berichtet 10,9 Mrd. $ an Nettoumsätzen, was einem Rückgang von 4 % im Jahresvergleich entspricht, während die Umsätze um 1 % stiegen, getrieben durch Zuwächse im Bereich Performance Materials & Coatings. Der operative Cashflow betrug 832 Mio. $, während der freie Cashflow 109 Mio. $ betrug, wodurch Dow 691 Mio. $ an seine Aktionäre zurückführen konnte. Das Eigenkapitalergebnis stieg um 9 Mio. $ im Jahresverlauf. Das GAAP‑EPS lag bei 0,62 $, während das operative EPS bei 0,68 $ lag.
„Das Tempo der globalen makroökonomischen Erholung war langsamer als erwartet. Wir bleiben fokussiert auf das Working Capital, die Kostensenkung und die Anpassung unserer Betriebsraten an die aktuelle Nachfrage. Wir innovieren gemeinsam mit unseren Kunden.“
– Dow Inc.‑CEO Jim Fitterling
Fazit
Das unkontrollierte Abbrennen von Vegetation (d. h. Waldbrände) verursacht weltweit weiterhin Chaos. Im vergangenen Jahr setzten Waldbrände, die Kanadas Wälder durchzogen, angeblich 647 Megatonnen Treibhausgase frei – mehr als die sieben größten Emittenten jährlich. Außerdem sind fast 80 Millionen Immobilien in den USA von Waldbränden bedroht.
Da Waldbrände weiterhin erhebliche Risiken darstellen, besteht ein dringender Bedarf an kontinuierlicher Forschung, Innovation und kritischen Fortschritten, wie den von Wissenschaftlern der Stanford University entwickelten Hydrogelen. Diese Technologien können die Wirksamkeit während Waldbränden aufrechterhalten und dazu beitragen, Häuser, Leben und Ökosysteme zu schützen.
