Suojaus metsäpaloilta – Edistykselliset ratkaisut ‘Lämpöaktivoituvilla biomimeettisilla hydrogelleilla’

Metsäpalot ovat yhä vakavampia ja aiheuttavat vahinkoa kaikkialla maailmassa. Vuonna 2023 lähes 12 miljoonaa hehtaaria poltettiin, asettaen uuden ennätyksen, 24 % enemmän kuin edellisvuonna. Tämä teki vuodesta 2023 pahimman vuoden maailmanlaajuisissa metsäpaloissa, kun 2021 sijoittui kolmanneksi pahimmaksi ja 2020 neljänneksi.

Tämä osoittaa selkeän kuvan: katastrofaaliset metsäpalot muuttuvat vakavammiksi, yhä yleisemmiksi ja laajalle levinneiksi. Tämä trendi on havaittavissa Yhdysvalloissa, Euroopassa ja Australiassa.  

Ilmastonmuutos pahentaa metsäpaloja entisestään voimistamalla helleaaltoja ja kuivuuskausia, jotka luovat kuivia ja kuumia olosuhteita, jotka auttavat metsäpalojen syttymisessä ja leviämisessä.

Tämä on erittäin huolestuttavaa, sillä nämä metsäpalot lisäävät vuosittain 5–8 miljardia tonnia hiilidioksidia. Lisäksi metsäpalot aiheuttavat nyt lähes 6 miljoonaa hehtaaria enemmän puuston menetyksiä vuodessa kuin vuonna 2001. Lisäksi palot vastaavat nyt 33 % kaikesta puuston menetyksestä, kun kaksi vuosikymmentä sitten se oli 20 %.

Kaiken lisäksi metsäpalot vaikuttavat ihmisiin sekä suoraan että epäsuorasti. Vaikka satoja ihmisiä kuolee tulipalossa vuosittain, monet muut joutuvat joko evakuoitaviksi tai pysyvästi asuinpaikastaan siirretyiksi.

Kaiken kaikkiaan metsäpaloihin liittyvät tapahtumat aiheuttavat tuhoisia menetyksiä resursseille, infrastruktuurille, näiden alueiden lähellä asuvien ihmisten elämille ja toimeentulolle sekä taloudelle.

Jotta metsäpaloihin voitaisiin tehokkaasti puuttua ja torjua, tarvitsemme ympäristöystävällisiä ratkaisuja, jotka voivat parantaa metsäpalojen hallintaa, kontrolloida paloja luonnonalueilla ja suojata alueita vahingoilta.

Tulensuojausmenetelmät: Geelit, vaahdot ja retardantit

On olemassa useita luonnonalueiden metsäpaloihin liittyviä kemiallisia järjestelmiä, jotka vähentävät syttymisen todennäköisyyttä ja suojaavat koteja ja infrastruktuuria. Nämä järjestelmät on US Forest Service -luokiteltu seuraavasti:

• Vedenlisäysgeelit
• Vaahdosuppressantit
• Pitkäaikaiset retardantit

Pitkäaikaiset retardantit toimitetaan yleensä lentokoneilla kohdealueille veden laimennuksen jälkeen. Niiden hidastavat vaikutukset syntyvät kemikaaleista, kuten ammoniummfosfaateista, jotka pystyvät vastustamaan palamista tai hidastamaan tulen leviämistä. Näiden retardanttien teho kestää niin kauan kuin kemiallinen jäämä pysyy kasvillisuudessa.

Mitä tulee vedenlisäys geeleihin ja vaahdosuppressanttien, ne toimivat molemmat lyhytaikaisina tulen tukahduttajina. Nämä ratkaisut pystyvät vastustamaan tulta vain niin kauan kuin vettä on, mikä tarkoittaa, että kun vettä haihtuu käytetyistä materiaaleista, tulen vastustus myös katoaa.

Näiden joukossa vedenlisäysgeelit on todettu poikkeuksellisen tehokkaiksi infrastruktuurin suojaamisessa. 

Vedenlisäysgeelit koostuvat yleensä superabsorboivista polymeereista, jotka pystyvät voimakkaasti sitomaan vettä sekä parantamaan pinnan kostutettavuutta. Näin nämä geelit toimivat erinomaisesti tulen tukahduttajina ja esteinä suojaten koteja ja kriittistä infrastruktuuria luonnonalueilla.

Polymeerien turpoaminen lisää itse asiassa vesieristeen paksuutta, mikä mahdollistaa pidemmän vedenpidon ajan. Kyky pitää vettä 30–60 min tekee näistä geeleistä erittäin tehokkaita epäsuorissa hyökkäyksissä suojaten koteja, rakennuksia ja muita rakenteita ennen metsäpaloja. 

Toisin kuin geelit, vaahdolla on lyhyempi pidon aika, vain 15-30 min ja se ei pysty tarjoamaan samaa suojaustasoa kuin geelit epäsuorissa hyökkäyksissä. Tämä tekee vedenlisäysgeeleistä ympäristöystävällisen ja kestävän strategian luonnonalueiden tulen tukahduttamiseen.

Koska ne toimivat niin hyvin, markkinoilla on paljon geelejä käytettävissä, jotka sisältävät Thermo-Gelin, suositun palonestogelin, jota käytetään laajasti Yhdysvalloissa ja Kanadassa ja jonka viranomaiset ovat hyväksyneet. Sitä käyttävät sekä kotitaloudet että ammattilaiset palontorjuntatiimit. Geeliä voidaan levittää rakenteisiin, kasvillisuuteen ja muihin pintoihin, ja se on tehokas useita tunteja levityksen jälkeen. Se voidaan poistaa vedellä.

Barricade Fire Gel on toinen vaihtoehto, joka muodostaa paksun lämpösuojavan geelikuvauksen suojaten kotejasi, rakenteitasi, ajoneuvojasi ja polttoainesäiliöitä palolta. Se sekoitetaan veteen tarjoten täydellisen palonsuojan ja ruiskutetaan jopa 24 tuntia ennen lähestyvää metsäpaloa.

FireIce Shield tarjoaa suojakerroksen estäen syttymisen, palamisen tai hiiltymisen aiheuttamia vahinkoja. No-Burn Original Fire Gel on vesipohjainen palonestoaine, jota voidaan levittää pinnoille, jolloin se muodostaa syttymistä vastustavan esteen.

Innovatiivinen geeli rakennusten suojaamiseksi metsäpalojen aikana

Vedenlisäysgeelit sisältävät usein hydrogeelimateriaaleja. Tämä johtuu siitä, että hydrogelit ovat polymeereja, jotka voivat sitoa suuria määriä vettä, mikä tekee niistä tehokkaita muodostamaan tulen vastustavan esteen. 

Hydrogeelien ristisidottu polymerirakenne, joka tekee niistä liukenemattomia, mahdollistaa niiden tehokkaan veden imeytymisen ja säilyttämisen suurina määrinä. Tämä uskomaton kyky varastoida vettä mahdollistaa lisääntyneen jäähdytyksen ja kostutuksen keston, kun geeli levitetään esimerkiksi kasvillisuuteen. 

Vaikka hydrogelit ovat houkutteleva vaihtoehto vaahdosuppressanteille ja perinteisille pitkäaikaisille retardanteille, niiden käyttöaika on hyvin lyhyt tyypillisen metsäpalasään aikana. 

Ongelma on, että nämä materiaalit kuivuvat nopeasti ja menettävät tehonsa tuulen ja korkean lämmön alla, jotka ovat tyypillisiä metsäpalatilanteessa. Tämä rajoittaa merkittävästi hydrogeelien käytännön soveltamista ja lisää lisäksi riskiä myös niiden käyttäjille. 

Source: Stanford Report

Tämän rajoituksen ratkaisemiseksi Stanfordin tutkijat ovat kehittäneet vedenlisäysgeelin auttamaan kotien ja kriittisen infrastruktuurin palamisen estämisessä metsäpaloissa, saavuttaen paljon parempia tuloksia kuin nykyiset ratkaisut. Vanhemman kirjoittajan Eric Appelin mukaan, joka on materiaalitieteen ja -tekniikan apulaisprofessori School of Engineering:

“Tyypillisissä metsäpalatilanteissa nykyiset vedenlisäysgeelit kuivuvat 45 minuutissa.”  

Muutama viikko sitten Advanced Materials -lehdessä julkaistu uusi tutkimus on esitellyt vedenlisäyshydrogeelialustan, joka muuttuu silikaasiaerogeliksi, materiaaliksi, joka on herättänyt suurta kiinnostusta tiede- ja teknologiamaailmassa.

Silikaasiaerogel tunnetaan optisesta läpinäkyvyydestään, suuresta pinta-alastaan ja alhaisesta lämmönjohtavuudestaan, mutta tärkeämpänä on sen alhainen massatiheys, jossa jopa 95 % tilavuudesta on ilmaa.

Viimeisimmän tutkimuksen tuloksena syntynyt silikaasiaerogel omaa poikkeuksellisia eristysominaisuuksia lämmön aktivoinnin aikana, mikä auttaa laajentamaan tehokkaan pinnan suojan ikkunaa syttymistä vastaan. 

Tutkimuksen mukaan nämä materiaalit osoittavat esteominaisuuksien parantuneen yli 5‑kertaiseksi verrattuna nykyisin markkinoilla myytäviin vedenlisäysgeelituotteisiin. 

Tutkijat muodostivat nämä hydrogelit polymeri-partikkeli (PP) -vuorovaikutusten avulla selluloosaketjujen (biopolymeerit) ja kolloidisten silikapartikkelien välillä. PP-vuorovaikutukset osoittautuivat avainroolissa lämmön eristävän aerogel-suojan tehokkaassa muodostumisessa veden haihtuessa. 

Tutkimuksen mukaan näiden materiaalien sisällä oleva vesi haihtuu nopeasti liekin vaikutuksesta, mikä sitten johtaa vahvan kiinteän silikoniverkoston muodostumiseen. Tämä verkosto toimii vahvana fyysisenä esteenä tulen vastaan. 

Suojaavan vaikutuksen pidentäminen, kirjoittajien mukaan, erottaa heidän materiaalinsa muista metsäpalojen tukahduttajateknologioista. Ja tämä on se mikä täyttää aukon kyvyssämme torjua metsäpaloja ja suojata kriittistä infrastruktuuria, totesi tutkimus.

Uuden tuligeelin testaus ja optimointi

National Science Foundationin yhdessä Gordon & Betty Moore -säätiön ja Schmidt Science Fellows -ohjelman kanssa, Stanfordin yliopiston tutkimus on onnistunut kehittämään ruiskutettavan geelin, joka suojaa rakennuksia metsäpalojen vahingoilta, kestää pidempään ja on tehokkaampi kuin nykyiset kaupalliset vaihtoehdot.

Laajempi käyttöikkuna tarkoittaa, että geeliä voidaan ruiskuttaa ennen tulipaloa ja silti saada suoja. Kun tuli saapuu, sen odotetaan toimivan vieläkin paremmin.

Uusi alusta on ollut kehitteillä vuosia. Jo vuonna 2019 samaa geeliä Appel ja tiimi käyttivät pitämään metsäpalaretardantit kasvillisuudessa pitkään.

Kutsuen uutta kehitystä “onnekkaaksi”, Appel selitti, että he olivat uteliaita näiden geelimien käyttäytymiseen yksinään. He laittoivat geeliä puuhun ja altistivat sen laboratoriossa olevalla soihtukivellä liekkeihin. Tämä johti “superkultaan” lopputulokseen, jossa geeli paisui aerogel-vaahdoksi.

Ongelma on, että vedenlisäysgeelit käyttävät tulensuojaan superabsorboivia polymeereja, jotka ovat itse asiassa samankaltaisia kuin lapsen kertakäyttövaippojen imukykyinen jauhe. 

Kun nämä geelit sekoitetaan veden kanssa ja ruiskutetaan rakenteelle, esimerkiksi kotiisi, ne turpoavat tahmeaksi ja paksuksi aineeksi. Aine tarttuu pinnan ulkopuolelle ja muodostaa kosteasuojan. 

Erittäin kuivan ja korkean lämpötilan metsäpalaympäristön vuoksi, jossa geelin sisällä oleva vesi haihtuu nopeasti, Stanfordin tutkijat sisällyttivät myös silikapartikkelit selluloosapohjaisen polymerin ohelle.  

Kun geelit altistuvat lämmölle ja vesi haihtuu, silikapartikkelit jäävät jäljelle ja muodostavat vaahdon. Vaahdosta tulee erittäin eristävä, estäen lämmön siirtymisen. Levittämällä lämpöä se “täysin” suojaa alla olevaa pintaa.

“Tämä ympäristötietoinen läpimurto ylittää nykyiset kaupalliset ratkaisut, tarjoten ylivoimaisen ja skaalautuvan suojan metsäpaloja vastaan.”

– Changxin Dong, tutkimuksen pääkirjoittaja

Uuden geelin arvioimiseksi tutkijat levittivät useita koostumuksia vaneripaloihin ja altistivat ne suoraan liekkeihin. Kaasusiimun liekki palaa merkittävästi korkeammassa lämpötilassa kuin luonnonalueiden tulipalot. 

Testit osoittivat, että tiimin tehokkain koostumus kesti yli seitsemän minuuttia ennen kuin vaneripalat alkoivat hiiltyä. Tämä oli paljon pidempään kuin alle 90 sekuntia, jonka kaupallisesti saatavilla oleva vedenlisäysgeeli kesti samalla tavalla testattuna. 

“Perinteiset geelit eivät toimi, kun ne kuivuvat,” sanoi Appel, huomauttaen, että toisin kuin ne, heidän geeli jatkaa pintojen suojaamista sen jälkeen, kun kaikki vesi on haihtunut, ja kun tuli on poissa, se voidaan myös helposti pestä pois.

Vaikka tiimi saavutti alkuperäisen menestyksen useita vuosia sitten, koostumuksen optimointi vaati paljon insinöörityötä. Koska se on valmistettu myrkyttömistä komponentteista, se on “turvallinen sekä ihmisille että ympäristölle,” sanoi Appel. Lisäksi geelin polymeri hajoaa helposti maaperän mikrobien toimesta.

Vaikka lisäoptimointia saatetaan tarvita, Appel toivoo tekevänsä pilottiasteisen sovelluksen ja arvioinnin näille geeleille. Tämä mahdollistaa Appelin ja tiimin aloittaa niiden käytön suojaamaan kriittistä infrastruktuuria, kun tuli iskee.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten tekoäly ja kasvava ‘Occurrence Database’ auttavat torjumaan metsäpaloja.

Yritykset, jotka osallistuvat tulensuojaan ja materiaalitieteeseen

Koska tehokkaiden ratkaisujen merkitys on suuri, useat yritykset osallistuvat erilaisiin metsäpalojen torjunnan ratkaisuihin.

Esimerkiksi PPG Industries (PPG ) ja Sherwin-Williams (SHW ) tarjoavat tulenkestäviä pinnoitteita, kun taas Ecolab keskittyy pääasiassa veteen, hygieniaan ja infektioiden ehkäisyyn, vaikka se myös tarjoaa palo- ja pelastuspalkkioita eri toimialoille.

Katsotaanpa tarkemmin muutamaa merkittävää nimeä:

#1. 3M Company 

3M valmistaa erilaisia tulensuojaustuotteita, mukaan lukien palontorjuntageelit ja -vaahdot. Tämä monipuolinen teknologiayritys on myös mukana hioma-aineissa, maskausjärjestelmissä, sähkömarkkinoilla, henkilökohtaisessa turvallisuudessa, kattokivissä, teollisissa liimoissa, maalisuihkutustuotteissa, kehittyneissä materiaaleissa, autoteollisuudessa ja avaruusteollisuudessa, kaupallisissa ratkaisuissa, näyttömateriaaleissa ja muissa, sekä laajassa T&D-toiminnassa parempien tuotteiden ja ratkaisujen luomiseksi.

Markkina-arvolla 72,3 miljardia dollaria 3M:n osakkeet käyvät tällä hetkellä 131,43 dollaria, nousussa 20,39 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 1,40, P/E (TTM) -suhde 93,93 ja osinkotuotto 2,13 %.

Vuodelle 2024 Q2 yritys raportoi 6,3 miljardia dollaria säädettyjä myyntejä, mikä oli 0,5 % vähemmän kuin edellisvuonna, kun operatiivinen kassavirta oli 1 miljardi dollaria. GAAP EPS jatkuvista toiminnoista oli 2,17 dollaria, nousussa 117 % vuodesta toiseen. Säädetty EPS nousi myös 39 % vuodesta toiseen 1,93 dollariin, kun 786 mln maksettiin osakkeenomistajille osinkojen ja osakkeiden takaisinoston kautta.

“Toimitimme jälleen vahvan neljänneksen, jossa säädetty tuloskasvu oli kaksinumeroista ja kassavirta vahvaa.”

– 3M:n toimitusjohtaja William Brown

Hän myös totesi, että heidän tulevaisuuden fokuksensa on pääoman tehokas käyttö, operatiivisen suorituskyvyn parantaminen ja kestävän orgaanisen liikevaihdon kasvun edistäminen.

#2. Dow Inc.

Dow on mukana kehittyneiden materiaalien, kuten superabsorboivien polymerien, tuotannossa, joita käytetään hydrogeeleissä. Yritys tarjoaa myös erilaisia tulenkestävyyden tuotteita, mukaan lukien DOWSIL™ Smoke Seal 800SL, joka on silikonitiiviste, joka voi auttaa estämään savun ja liekkien leviämisen lattian liitoskohdissa. Dow on myös mukana pakkaus-, energia- ja kuluttajaratkaisuissa.

Markkina-arvolla 37,5 miljardia dollaria Dow:n osakkeet käyvät tällä hetkellä 53,51 dollaria, laskussa 2,43 % vuoden alusta. Yrityksen EPS (TTM) on 1,62, P/E (TTM) -suhde 33,11 ja osinkotuotto 5,23 %.

Vuodelle 2024 Q2 Dow raportoi 10,9 miljardia dollaria nettomyynnistä, mikä oli 4 % lasku vuodesta toiseen, kun myynti kasvoi 1 % suoritusmateriaalien ja pinnoitteiden kasvun ansiosta. Operatiivinen kassavirta oli 832 mln, vapaa kassavirta 109 mln, mikä mahdollisti Dow:n palauttaa 691 mln osakkeenomistajille. Sen osakepääoman tulos kasvoi 9 mln peräkkäin. GAAP EPS oli 0,62 dollaria, operatiivinen EPS 0,68 dollaria.

“Maailmanlaajuisen makrotalouden elpymisen vauhti on ollut odotettua hitaampi. Keskitymme edelleen käyttöpääomaan, kustannusten vähentämiseen ja operatiivisen kapasiteetin sovittamiseen nykyiseen kysyntään. Innovoimme asiakkaidemme kanssa.”

– Dow Inc. :n toimitusjohtaja Jim Fitterling 

Yhteenveto

Kasvillisuuden hallitsematon palaminen (eli metsäpalot) jatkaa tuhojen aiheuttamista maailmanlaajuisesti. Viime vuonna Kanadan metsiköt pyyhkäisseet metsäpalot vapauttivat ilmeisesti 647 megatonnia kasvihuonekaasuja — enemmän kuin seitsemän suurimman päästömaiden vuotuinen kokonaismäärä. Lisäksi lähes 80 miljoonaa kiinteistöä Yhdysvalloissa on metsäpalojen riskialttiina.

Koska metsäpalot jatkavat vakavien riskien aiheuttamista, on kiireellinen tarve jatkuvalle tutkimukselle, innovaatiolle ja kriittisille edistysaskeleille, kuten Stanfordin yliopiston tutkijoiden kehittämille hydrogeeleille. Nämä teknologiat voivat auttaa ylläpitämään tehokkuutta metsäpalojen aikana ja suojata koteja, ihmishenkiä ja ekosysteemejä.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon yrityksistä, jotka työskentelevät ratkaisujen parissa globaalin lämmityksen uhkaa vastaan.