山火事からの保護 – 「熱活性化バイオミメティックハイドロゲル」でソリューションを進化させる

山火事は世界中でますます深刻化し、被害が拡大しています。2023年には、約1,200万ヘクタールが焼失し、新記録を樹立し、前年度比24％増加しました。これにより2023年は世界の森林火災で最悪の年となり、2021年が3番目に悪く、2020年が4番目に悪い年となりました。

これは明確な状況を示しています：壊滅的な山火事がますます深刻化し、頻度が増し、広範囲に広がっています。この傾向は米国、ヨーロッパ、オーストラリア全体で顕著です。  

気候変動は熱波と干ばつを強めることで山火事の災害をさらに悪化させ、乾燥した高温の状態が山火事の発生と拡大を助長します。

これは極めて懸念すべきことで、これらの山火事は毎年50〜80億トンの二酸化炭素を排出しています。さらに、森林火災は2001年に比べて年間約600万ヘクタールもの樹木被覆が失われています。加えて、火災は現在全樹木被覆喪失の33％を占めており、20年前の20％から増加しています。

さらに、山火事は人々に直接的・間接的に影響を及ぼします。毎年数百人が火災で死亡する一方で、さらに多くの人々が避難を余儀なくされたり、住居から永遠に追い出されたりしています。

全体として、山火事は資源、インフラ、これらの地域に住む人々の生活と生計、そして経済に壊滅的な損失をもたらします。

山火事に効果的に対処し戦うためには、環境に優しいソリューションが必要であり、山火事管理の取り組みを改善し、野外での山火事を制御し、地域を被害から保護することができます。

防火方法：ゲル、フォーム、遅延剤

着火の可能性を減らし、住宅やインフラを保護するために、いくつかの野外火災用化学システムが存在します。これらのシステムは米国森林局によって次のように分類されています：

• 水増強ゲル
• フォーム抑制剤
• 長期遅延剤

長期遅延剤は通常、水で希釈した後に完全に構成された状態で航空機を通じて対象地域に散布されます。その遅延効果は、燃焼を抑制したり火災の拡大を遅らせる能力を持つリン酸アンモニウムなどの化学物質によって生み出されます。これらの遅延剤の有効性は、化学残留物が植生上に残っている限り持続します。

水増強ゲルとフォーム抑制剤については、どちらも短期的な消火剤として機能します。これらのソリューションは水が存在する間だけ火災に耐えることができ、したがって一度適用された材料から水分が蒸発すると、耐火性も失われます。

これらの中で、水増強ゲルはインフラ保護に非常に効果的であることが判明しています。

水増強ゲルは通常、超吸水性ポリマーで構成されており、水を強力に保持する能力と表面の濡れ性を向上させる機能を持ちます。このようにして、これらのゲルは山野における住宅や重要インフラを保護する消火剤およびバリケードとして非常に有効に機能します。

ポリマーの膨潤は実際に水バリケードの厚さを増し、より長いwater-retention時間を可能にします。30〜60min間水を保持できる能力により、これらのゲルは山火事の前に住宅や建物、その他の構造物を間接的に防御するのに非常に効果的です。

ゲルとは異なり、フォームはわずか15〜30minの保持時間しかなく、間接的な防御においてゲルと同等の保護レベルを提供できません。このため、水増強ゲルは山野の火災を抑制する環境に優しい持続可能な戦略となります。

それらが非常に効果的であることから、市場には多くのゲルが利用可能であり、その中には米国とカナダで広く使用され、当局に承認された人気の防火ゲル「Thermo-Gel」も含まれます。これは住宅所有者とプロの消防チームの両方に使用されています。このゲルは構造物、植生、その他の表面に塗布でき、塗布後数時間まで効果を発揮します。水で除去することができます。

Barricade Fire Gelは、厚い熱保護ゲルコーティングを形成し、住宅、構造物、車両、燃料タンクを火災から守る別の製品です。水と混合して完全な防火保護を提供し、接近する山火事の24時間前までに散布できます。

FireIce Shieldは、点火、燃焼、焦げによる損傷を防ぐ保護層を提供します。一方、No-Burn Original Fire Gelは水性の防火剤で、表面に塗布すると点火に耐えるバリアを形成します。

山火事時に建物を保護する革新的なゲル

水増強ゲルはしばしばハイドロゲル材料を組み込んでいます。これはハイドロゲルが大量の水分を保持できるポリマーであり、火災に耐えるバリアを形成するのに効果的だからです。

ハイドロゲルの交差結合ポリマー構造は不溶性であり、これが大量の水分を効果的に吸収・保持できる要因です。この驚異的な水分保持能力により、植生などの表面にゲルを塗布した際に冷却と湿潤の持続時間が延長されます。

フォーム抑制剤や従来の長期遅延剤の魅力的な代替である一方、ハイドロゲルは典型的な山火事の気象条件下では非常に短い適用時間に制限されます。

問題は、これらの材料が風や高熱の下で急速に乾燥し、効果を失うことで、山火事の典型的な条件です。これによりハイドロゲルの実用性が大幅に制限され、さらにそれらを使用する人々のリスクも高まります。

出典: Stanford Report

この制限に対処するため、スタンフォード大学の研究者は、山火事による住宅や重要インフラの焼失を防ぐための水増強ゲルを開発しました。現在利用可能なソリューションよりもはるかに優れた結果を示しています。材料科学・工学部の准教授であるシニア著者エリック・アッペルによると：

「典型的な山火事の条件下では、現在の水増強ゲルは45分で乾燥します。」  

数週間前にAdvanced Materialsに掲載されたこの新研究は、シリカエアロゲルに変化する水増強ハイドロゲルプラットフォームを導入しました。この材料は科学技術界で大きな関心を集めています。

シリカエアロゲルは光学的透明性、広い表面積、低熱伝導率で知られていますが、何よりも体積の95％が空気である低密度が特徴です。

最新の研究で得られたシリカエアロゲルは、熱活性化時に卓越した断熱特性を示し、着火からの表面保護の有効ウィンドウを拡大するのに役立ちます。

研究によると、これらの材料は現在市場で販売されている水増強ゲル製品と比較して、バリケード性能が5倍以上向上しています。

研究者は、セルロース鎖（バイオポリマー）とコロイドシリカ粒子との間のポリマー-粒子（PP）相互作用によりこれらのハイドロゲルを形成しました。PP相互作用は、水分蒸発時に熱絶縁エアロゲルシールドを効果的に作り出す重要な役割を果たすことが実際に明らかになりました。

研究によると、これらの材料内部の水分は炎の衝撃下で急速に失われ、その結果、頑丈な固体シリカネットワークが形成されます。このネットワークは火災に対する強固な物理的バリアとして機能します。

著者らによれば、保護効果を長時間維持できることが、同材料を他の山火事抑制技術と差別化する点です。そして、これは山火事と戦い、重要インフラを保護する能力のギャップを効果的に埋めると研究は指摘しています。

新しい防火ゲルのテストと最適化

米国国立科学財団（NSF）とゴードン＆ベティ・ムーア財団、シュミット・サイエンス・フェローシップの資金提供を受け、スタンフォード大学の研究は、既存の商業オプションよりも長持ちし、効果的に山火事から建物を保護するスプレー可能なゲルの開発に成功しました。

適用ウィンドウが広がることで、火災が来る前にゲルを散布し、保護効果を得ることができます。そして火災が発生した際には、さらに効果的に機能すると期待されています。

新プラットフォームは数年にわたり開発されてきました。2019年には、同じゲルがアッペルとチームによって、山火事遅延剤を植生上に長期間保持するために使用されました。

アッペルはこの新開発を「思いがけない幸運」と呼び、これらのゲル単独の挙動に興味を持ったと説明しました。そこで、木材に少量のゲルを塗布し、実験室にあったトーチで炎にさらしました。その結果、ゲルがエアロゲルフォームに膨張するという「非常にクールな結果」が得られました。

実は、水増強ゲルは火災防護のために超吸水性ポリマーを使用しており、これは子供用使い捨ておむつに含まれる吸収性粉末と実質的に同じです。

これらのゲルを水と混合し、例えば自宅のような構造物に散布すると、粘着性の高い厚い物質に膨張します。その物質は表面の外側に付着し、湿ったシールドを形成します。

山火事周辺の極めて乾燥した高温条件によりゲル内の水分が急速に蒸発するため、スタンフォードの研究者はセルロース系ポリマーと共にシリカ粒子も組み込んでいます。

したがって、ゲルが熱にさらされ水分が蒸発すると、シリカ粒子が残り、フォームに組み立てられます。このフォームは高い断熱性を持ち、熱伝導を防ぎます。熱を拡散させることで、下の表面を「完全に」保護します。

「この環境に配慮した画期的な技術は、現在の商業ソリューションを上回り、山火事に対する優れたスケーラブルな防御を提供します。」

– Changxin Dong、研究の主要著者

新しいゲルを評価するため、研究者は複数の配合を合板に塗布し、直接炎にさらしました。ガストーチの炎は山野火災よりもはるかに高温で燃焼します。

テストの結果、チームが開発した最も効果的な組成は、合板が焦げ始めるまで7分以上持続しました。これは、同様にテストした市販の水増強ゲルが90秒未満しか持続しなかったのと比べてはるかに長い時間です。

「従来のゲルは乾燥すると機能しません」とアッペルは述べ、彼らのゲルは水分がすべて蒸発した後でも適用された表面を保護し続け、火災が終わった後は簡単に洗い流すことができると指摘しました。

チームは数年前に初期の成功を収めましたが、配合を最適化するには多くのエンジニアリングが必要でした。無毒成分で構成されているため「人と環境の両方に安全」であるとアッペルは述べました。さらに、ゲル中のポリマーは土壌微生物によって容易に分解されます。

さらなる最適化が必要になる可能性はありますが、アッペルはこれらのゲルのパイロット規模での適用と評価を行うことを望んでいます。これにより、アッペルとチームは火災が発生した際に重要インフラを保護するためにこれらを使用し始めることができるでしょう。

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防火および材料科学に関わる企業

効果的なソリューションが重要であることから、山火事緩和ソリューションのさまざまな側面に関わる企業が多数存在します。

例えば、PPG Industries (PPG ) と Sherwin-Williams (SHW ) は防火コーティングを提供し、Ecolab は主に水、衛生、感染防止ソリューションに注力していますが、さまざまな業界向けに消防・救助サービスも提供しています。

では、いくつかの主要企業を詳しく見てみましょう：

#1. 3M Company 

3M は消火ゲルやフォームを含むさまざまな防火製品を製造しています。この多角的なテクノロジー企業は、研磨剤、マスキングシステム、電気市場、個人安全、屋根用粒子、産業用接着剤、塗装スプレー製品、先進材料、自動車・航空宇宙、商業ソリューション、ディスプレイ材料などにも関与しており、より優れた製品とソリューションを創出するために広範な研究開発を行っています。

時価総額 723億ドル、3M の株価は現在 131.43ドルで、年初来 20.39% 上昇しています。EPS（TTM）は 1.40、P/E（TTM）比率は 93.93、配当利回りは 2.13% です。

2024年第2四半期に、同社は調整後売上高 63億ドルを報告し、前年同期比 0.5% 減少しましたが、営業キャッシュフローは 10億ドルでした。継続事業からの GAAP EPS は 2.17ドルで、前年同期比 117% 増加しました。調整後 EPS も前年同期比 39% 増の 1.93ドルとなり、7億8600万ドルが配当と自社株買いを通じて株主に支払われました。

「調整後利益の二桁成長と堅調なキャッシュ創出で、もう一つの強力な四半期を達成しました。」

– 3M CEO William Brown

彼は、今後の重点は資本の効果的な配分、運用パフォーマンスの向上、持続的な有機的収益成長の推進であると述べました。

#2. Dow Inc.

Dow はハイドロゲルに使用される超吸水性ポリマーなどの先進材料の製造に関わっています。同社はまた、DOWSIL™ Smoke Seal 800SL を含むさまざまな防火製品を提供しており、これは床継ぎ目間の煙や炎の拡散を防止するシリコーンシーラントです。Dow は包装、エネルギー、消費者向けソリューションにも関与しています。

時価総額 375億ドル、Dow の株価は現在 53.51ドルで、年初来 2.43% 下落しています。会社の EPS（TTM）は 1.62、P/E（TTM）比率は 33.11、配当利回りは 5.23% です。

2024年第2四半期に、Dow は純売上高 109億ドルを報告し、前年同期比 4% 減少しましたが、売上は 1% 増加し、パフォーマンス材料・コーティング部門の伸びが牽引しました。営業キャッシュフローは 8億3200万ドル、フリーキャッシュフローは 1億900万ドルで、Dow は株主に 6億9100万ドルを還元できました。株主資本利益は前期比 9百万ドル増加しました。GAAP EPS は 0.62ドル、営業 EPS は 0.68ドルです。

「世界的なマクロ経済回復のペースは予想より遅れています。我々は運転資本に注力し、コスト削減と現在の需要に合わせた稼働率の調整に取り組んでいます。顧客と共にイノベーションを進めています。」

– Dow Inc. CEO Jim Fitterling 

結論

植生の制御不能な燃焼（すなわち山火事）は世界的に混乱を引き起こし続けています。昨年、カナダの森林を襲った山火事は、温室効果ガスを 647 メガトン 排出したと報告されており、これは上位7カ国が年間で排出する量を上回ります。また、米国では約 8000万件 の不動産が山火事のリスクにさらされています。

山火事が深刻なリスクをもたらし続ける中、スタンフォード大学の科学者が開発したハイドロゲルのような、継続的な研究、イノベーション、重要な技術進歩が緊急に求められています。これらの技術は山火事時の有効性を維持し、住宅、命、エコシステムの保護に役立ちます。

地球温暖化の脅威に取り組むソリューションを提供する企業リストはこちらをご覧ください。