산불 보호 – ‘열 활성화 바이오모방 하이드로겔’을 통한 솔루션 진보

산불은 전 세계적으로 점점 더 심각해지고 피해를 입히고 있습니다. 2023년에는 거의 1,200만 헥타르가 불에 타었습니다, 새로운 기록을 세우며 이전보다 24% 더 높았습니다. 이는 2023년이 전 세계 산불 중 최악의 해가 되었으며, 2021년은 세 번째, 2020년은 네 번째로 나쁩니다.

이는 명확한 모습을 보여줍니다: 재앙적인 산불이 점점 더 심각해지고, 빈도가 증가하며, 전 세계적으로 퍼지고 있습니다. 이 추세는 미국, 유럽, 호주 전역에서 뚜렷이 나타납니다.  

기후 변화는 폭염과 가뭄을 심화시켜 산불 재앙을 더욱 악화시키며, 이는 산불이 시작되고 확산되는 데 도움이 되는 건조하고 뜨거운 조건을 만듭니다.

이는 매우 우려되는 상황이며, 이러한 산불은 매년 5-8억 톤의 이산화탄소를 추가합니다. 또한, 산불은 현재 2001년 대비 매년 거의 600만 헥타르 더 많은 수목 피복 손실을 초래하고 있습니다. 더욱이, 화재는 현재 전체 수목 피복 손실의 33%를 차지하며, 20년 전의 20%에서 증가했습니다.

게다가 산불은 인간에게 직접적·간접적으로 영향을 미칩니다. 매년 수백 명이 화재로 사망하는 반면, 더 많은 사람들이 대피하거나 영구적으로 집을 잃게 됩니다.

전반적으로 산불 사건은 자원, 인프라, 해당 지역에 사는 사람들의 삶과 생계, 그리고 경제에 막대한 손실을 초래합니다.

산불을 효과적으로 해결하고 대응하기 위해서는, 산불 관리 노력을 개선하고, 야생 지역 내에서 산불을 통제하며, 지역을 손상으로부터 보호할 수 있는 친환경 솔루션이 필요합니다.

화재 보호 방법: 겔, 폼, 및 지연제

점화 가능성을 줄이고 주택 및 인프라를 보호하기 위해 존재하는 여러 야생 화재 화학 시스템이 있습니다. 이 시스템은 미국 산림청에 의해 다음과 같이 분류됩니다:

• 수분 강화 겔
• 폼 억제제
• 장기 지연제

장기 지연제는 일반적으로 물 희석을 통해 완전하게 구성된 후 항공기를 통해 목표 지형에 투입됩니다. 이들의 지연 효과는 암모늄 인산염과 같은 화학 물질에 의해 생성되며, 이 물질은 연소를 저항하거나 화재 확산을 늦출 수 있습니다. 이러한 지연제의 효능은 화학 잔류물이 식생에 남아 있는 한 지속됩니다.

수분 강화 겔과 폼 억제제는 모두 단기 화재 억제제로 작동합니다. 이러한 솔루션은 물이 존재하는 동안에만 화재를 저항할 수 있으며, 이는 물이 적용된 재료에서 증발하면 화재 저항성도 사라진다는 것을 의미합니다.

이 중에서, 수분 강화 겔은 인프라 보호에 매우 효과적인 것으로 밝혀졌습니다.

수분 강화 겔은 일반적으로 초흡수 고분자를 포함하며, 물을 강력히 유지하고 표면 습윤성을 향상시킬 수 있습니다. 이렇게 해서, 이러한 겔은 화재 억제제 및 방벽으로서 매우 효과적으로 작용하여 야생 지역의 주택 및 핵심 인프라를 보호합니다.

고분자의 팽창은 실제로 물 방벽의 두께를 증가시켜 더 긴 물 유지 시간을 가능하게 합니다. 30-60 분 동안 물을 유지할 수 있는 능력은 이러한 유형의 겔이 산불이 발생하기 전에 주택, 건물 및 기타 구조물을 보호하는 간접 방어에 매우 효과적임을 의미합니다. 

겔과 달리, 폼은 단 15-30 분의 짧은 유지 시간을 가지며, 간접 방어에 있어 겔과 동일한 수준의 보호를 제공하지 못합니다. 이는 수분 강화 겔이 친환경적이고 지속 가능한 야생 화재 억제 전략이 됨을 의미합니다.

그들이 매우 효과적이기 때문에, 시장에는 다양한 겔이 많이 제공되고 있으며, 여기에는 미국과 캐나다에서 널리 사용되고 당국의 승인을 받은 인기 있는 방화 겔인 Thermo-Gel이 포함됩니다. 이는 주택 소유자와 전문 소방팀 모두가 사용합니다. 이 겔은 구조물, 식생 및 기타 표면에 적용할 수 있으며 적용 후 몇 시간까지 효과적입니다. 물로 제거할 수 있습니다.

Barricade Fire Gel은 또 다른 제품으로, 두꺼운 열 보호 겔 코팅을 형성하여 주택, 구조물, 차량 및 연료 탱크가 화재에 타는 것을 방지합니다. 물과 혼합하여 완전한 화재 보호를 제공하며, 접근하는 산불 24시간 전까지 분사할 수 있습니다.

FireIce Shield는 점화, 연소 또는 탄화로 인한 손상을 방지하는 보호층을 제공합니다. 한편, No-Burn Original Fire Gel은 물 기반 방화제이며, 적용된 표면에 점화를 저항하는 장벽을 형성합니다.

산불 동안 건물을 보호하는 혁신적인 겔

수분 강화 겔은 종종 하이드로겔 재료를 포함합니다. 이는 하이드로겔이 많은 양의 물을 유지할 수 있는 고분자로, 화재를 저항하는 장벽을 형성하는 데 효과적이기 때문입니다. 

하이드로겔의 가교 결합 고분자 구조는 불용성을 만들며, 이는 물을 효과적으로 흡수하고 대량으로 유지할 수 있게 합니다. 이 놀라운 능력은 겔을 식생과 같은 표면에 적용했을 때 냉각 및 습윤 지속 시간을 증가시킵니다. 

폼 억제제와 전통적인 장기 지연제에 대한 매력적인 대안이지만, 하이드로겔은 일반적인 산불 날씨에서 매우 짧은 적용 시간에만 제한됩니다. 

문제는 이러한 재료가 바람과 고열 하에서 빠르게 건조되고 효능을 잃는다는 점이며, 이는 산불 상황에서 일반적입니다. 이는 하이드로겔의 실용적 사용을 크게 제한하고, 이를 적용하는 사람들에게도 위험을 증가시킵니다. 

출처: Stanford Report

“일반적인 산불 조건에서 현재 수분 강화 겔은 45분 안에 건조됩니다.”  

몇 주 전 Advanced Materials에 발표된 이 새로운 연구 는 물을 흡수하는 하이드로겔 플랫폼을 소개했으며, 이는 실리카 에어로겔로 변환됩니다. 이 물질은 과학 및 기술 분야에서 많은 관심을 받고 있습니다.

실리카 에어로겔은 광학적 투명성, 높은 표면적, 낮은 열전도율로 알려져 있지만, 더 중요한 것은 부피의 95%가 공기인 낮은 전체 밀도입니다.

최신 연구에서 얻어진 실리카 에어로겔은 열 활성화 동안 뛰어난 절연 특성을 가지고 있어, 점화로부터 표면 보호의 효과적인 시간을 확장하는 데 도움이 됩니다. 

연구에 따르면, 이 재료들은 현재 시장에서 판매되는 수분 강화 겔 제품에 비해 방벽 특성이 5배 이상 향상되었습니다. 

연구원들은 셀룰로오스 사슬(바이오폴리머)과 콜로이드 실리카 입자 사이의 고분자-입자(PP) 상호작용을 통해 이 하이드로겔을 형성했습니다. PP 상호작용은 물이 증발할 때 열 절연 에어로겔 방패를 효과적으로 만드는 핵심 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다. 

연구에 따르면, 이 재료 내부의 물은 화염에 노출될 때 빠르게 손실되며, 이는 견고한 고체 실리카 네트워크 형성으로 이어집니다. 이 네트워크는 화재에 대한 강력한 물리적 장벽 역할을 합니다.

저자들에 따르면, 보호 효과를 연장시키는 것이 이 소재를 다른 산불 억제 기술과 차별화시키는 요소이며, 이는 산불 대응 및 핵심 인프라 보호 능력의 격차를 효과적으로 메울 것이라고 연구는 언급했습니다.

새로운 방화 겔의 테스트 및 최적화

미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)과 Gordon & Betty Moore Foundation 및 Schmidt Science Fellows의 지원을 받아 스탠포드 대학의 연구는 기존 상용 옵션보다 더 오래 지속되고 효과적인, 건물을 산불 피해로부터 보호하는 스프레이형 겔 개발에 성공했습니다.

적용 창이 넓어지면 화재가 발생하기 전에 겔을 스프레이할 수 있으며 여전히 보호 효과를 얻을 수 있습니다. 화재가 발생하면 더욱 효과적으로 작동하도록 설계되었습니다.

새로운 플랫폼은 수년간 개발되어 왔습니다. 2019년, 앱펠과 팀은 동일한 겔을 사용하여 산불 지연제를 식생에 오래 머무르게 했습니다.

앱펠은 이번 개발을 “우연한 행운”이라고 부르며, 이 겔들의 독립적인 행동에 호기심을 가졌다고 설명했습니다. 그래서 목재에 겔을 바르고 실험실에 있던 토치를 사용해 불꽃에 노출시켰습니다. 그 결과 겔이 에어로겔 폼으로 부풀어 오르는 “아주 멋진 결과”가 나타났습니다.

문제는 수분 강화 겔이 화재 보호를 위해 초흡수 고분자를 사용한다는 점이며, 이는 실제로 아이들의 일회용 기저귀에 들어 있는 흡수성 파우더와 유사합니다.

이 겔을 물과 혼합한 뒤, 예를 들어 집과 같은 구조물에 스프레이하면, 겔은 끈적이고 두꺼운 물질로 부풀어 오릅니다. 이 물질은 표면 외부에 달라붙어 습한 방패를 형성합니다. 

산불 주변의 극도로 건조하고 고온의 조건으로 인해 겔에 갇힌 물이 빠르게 증발하기 때문에, 스탠포드 연구원들은 셀룰로오스 기반 고분자와 함께 실리카 입자를 도입했습니다.  

따라서 겔이 열에 노출되고 물이 증발하면, 실리카 입자는 남아 폼으로 조립됩니다. 이 폼은 높은 절연성을 가지고 있어 열 전달을 차단합니다. 열을 분산시켜 아래 표면을 “완전히” 보호합니다.

“이 환경 친화적인 혁신은 현재 상용 솔루션을 능가하며, 보다 우수하고 확장 가능한 산불 방어를 제공합니다.”

– 장신동, 연구 책임 저자

새로운 겔을 평가하기 위해 연구원들은 여러 포뮬러를 합판 조각에 적용한 뒤 직접 화염에 노출시켰습니다. 가스 토치의 화염은 야생 화재보다 훨씬 높은 온도로 연소합니다. 

테스트 결과, 팀이 만든 가장 효과적인 조성은 합판이 탄화되기 전까지 7분 이상 지속되었습니다. 이는 동일한 방식으로 테스트한 상업용 수분 강화 겔이 90초 미만 지속된 것보다 훨씬 길었습니다. 

“전통적인 겔은 건조되면 작동하지 않습니다,” 라고 앱펠은 말했으며, 그와 달리 이 겔은 물이 모두 증발한 후에도 적용된 표면을 계속 보호하고, 화재가 사라지면 쉽게 씻어낼 수 있다고 언급했습니다.

팀은 몇 년 전 초기 성공을 거두었지만, 포뮬러를 최적화하기 위해 많은 엔지니어링 작업이 필요했습니다. 독성 없는 성분으로 만들어졌기 때문에 “사람과 환경 모두에 안전”하다고 앱펠은 말했습니다. 또한 겔의 고분자는 토양 미생물에 의해 쉽게 분해됩니다.

추가 최적화가 필요할 수도 있지만, 앱펠은 이 겔의 파일럿 규모 적용 및 평가를 희망합니다. 이를 통해 앱펠과 팀은 화재가 발생했을 때 핵심 인프라를 보호하기 위해 사용을 시작할 수 있게 됩니다.

AI와 성장하는 ‘Occurrence Database’가 산불 대응에 어떻게 도움이 되는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.

화재 보호 및 재료 과학에 참여하는 기업들

효과적인 솔루션이 얼마나 중요한지 감안할 때, 산불 완화 솔루션의 다양한 측면에 참여하는 기업들이 다수 있습니다.

예를 들어, PPG Industries (PPG ) 와 Sherwin-Williams (SHW ) 는 방화 코팅을 제공하고, Ecolab은 주로 물, 위생 및 감염 예방 솔루션에 집중하지만 다양한 산업에 화재 및 구조 서비스를 제공하기도 합니다.

이제 몇몇 주요 기업들을 자세히 살펴보겠습니다:

#1. 3M Company 

3M은 소방 겔 및 폼을 포함한 다양한 화재 보호 제품을 생산합니다. 이 다각화된 기술 기업은 연마재, 마스킹 시스템, 전기 시장, 개인 안전, 지붕 과립, 산업용 접착제, 페인트 스프레이 제품, 첨단 소재, 자동차 및 항공우주, 상업 솔루션, 디스플레이 소재 등에도 참여하며, 더 나은 제품과 솔루션을 만들기 위한 광범위한 R&D를 수행합니다.

시가총액 723억 달러인 3M의 주가는 현재 131.43달러이며, 연초 대비 20.39% 상승했습니다. EPS (TTM)는 1.40, P/E (TTM) 비율은 93.93, 배당 수익률은 2.13%입니다.

2024년 2분기에, 회사는 조정 매출 63억 달러를 보고했으며 이는 전년 대비 0.5% 감소했으며, 영업 현금 흐름은 10억 달러였습니다. 지속 영업에서 GAAP EPS는 2.17달러로 전년 대비 117% 증가했습니다. 조정 EPS도 전년 대비 39% 상승해 1.93달러였으며, 7억 8600만 달러가 배당 및 자사주 매입을 통해 주주에게 지급되었습니다.

“우리는 조정 이익 성장률이 두 자릿수 상승하고 견고한 현금 창출을 기록한 또 하나의 강력한 분기를 달성했습니다.”

– 3M CEO William Brown

그는 또한 앞으로의 초점은 자본을 효율적으로 배치하고, 운영 성과를 향상시키며, 지속적인 유기적 매출 성장을 추진하는 것이라고 언급했습니다.

#2. Dow Inc.

Dow는 하이드로겔에 사용되는 초흡수 고분자와 같은 첨단 소재 생산에 관여하고 있습니다. 또한 DOWSIL™ Smoke Seal 800SL 등 방화 제품을 제공하는데, 이는 바닥 이음 사이의 연기와 화염 확산을 방지하는 실리콘 실란트입니다. Dow는 포장, 에너지 및 소비자 솔루션에도 참여하고 있습니다.

시가총액 375억 달러인 Dow의 주가는 현재 53.51달러이며, 연초 대비 2.43% 하락했습니다. 회사의 EPS (TTM)는 1.62, P/E (TTM) 비율은 33.11, 배당 수익률은 5.23%입니다.

2024년 2분기에, Dow는 순매출 109억 달러를 보고했으며 이는 전년 대비 4% 감소했지만, Performance Materials & Coatings 부문의 성장으로 매출은 1% 증가했습니다. 영업 현금 흐름은 8억 3200만 달러였으며, 자유 현금 흐름은 1억 900만 달러로, Dow는 주주에게 6억 9100만 달러를 반환했습니다. 자본 이익은 전분기 대비 900만 달러 증가했으며, GAAP EPS는 0.62달러, 영업 EPS는 0.68달러였습니다.

“글로벌 거시경제 회복 속도가 예상보다 느렸습니다. 우리는 운전 자본에 집중하고 비용을 절감하며, 현재 수요에 맞춰 운영 비율을 조정하는 데 주력하고 있습니다. 고객과 함께 혁신하고 있습니다.”

– Dow Inc. CEO Jim Fitterling 

결론

통제되지 않은 식생 연소(즉, 산불)는 전 세계적으로 혼란을 일으키고 있습니다. 지난해 캐나다 삼림을 휩쓴 산불은 647 메가톤의 온실가스를 배출한 것으로 보고되었으며, 이는 연간 가장 배출량이 큰 일곱 국가보다 더 많습니다. 또한 미국에서는 거의 8천만 가구가 산불 위험에 처해 있습니다.

산불이 계속해서 심각한 위험을 초래함에 따라, 스탠포드 대학 과학자들이 개발한 하이드로겔과 같은 지속적인 연구, 혁신 및 핵심적인 진보가 절실히 필요합니다. 이러한 기술은 산불 동안 효과를 유지하고 주택, 생명 및 생태계를 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.

지구 온난화 위협에 대응하는 솔루션을 개발하는 기업 목록을 보려면 여기를 클릭하세요.