Beskyttelse mot skogbranner – Fremme av løsninger med ‘varmeaktiverbare biomimetiske hydrogel’

Skogbranner blir stadig mer alvorlige og forårsaker skade over hele verden. I 2023 ble nesten 12 millioner hektar ble brent, noe som satte en ny rekord, 24 % høyere enn den forrige. Dette gjorde 2023 til det dårligste året for globale skogbranner, med 2021 som det tredje dårligste og 2020 som det fjerde.

Dette viser et tydelig bilde: katastrofale skogbranner blir mer alvorlige, stadig hyppigere og mer utbredt. Denne trenden er tydelig i USA, Europa og Australia.

Klimaendringer forverrer skogbrannkatastrofen ytterligere ved å intensivere hetebølger og tørke, som skaper tørre og varme forhold som bidrar til å starte og spre skogbranner.

Dette er svært bekymringsfullt, da disse skogbrannene legger til 5–8 milliarder tonn karbondioksid hvert år. I tillegg forårsaker skogbranner nå tapet av nesten 6 millioner flere hektar tredekke per år enn i 2001. Videre står branner nå for 33 % av alt tap av tredekke, opp fra 20 % for to tiår siden.

I tillegg påvirker skogbranner mennesker både direkte og indirekte. Mens hundrevis av mennesker dør i brannene hvert år, blir mange flere enten evakuert eller permanent fordrevet fra sine hjem.

Totalt sett fører skogbrannhendelser til ødeleggende tap av ressurser, infrastruktur, liv og levebrød for folk som bor rundt disse områdene, samt økonomien.

For å effektivt takle og bekjempe skogbranner trenger vi miljøvennlige løsninger som kan forbedre innsatsen for skogbrannhåndtering, kontrollere skogbranner i villmarken og beskytte områder mot skade.

Brannbeskyttelsesmetoder: Gel, Skum og Retardanter

Det finnes flere kjemiske systemer for villmarksbranner som reduserer sannsynligheten for antenning og beskytter hjem og infrastruktur. Disse systemene er kategorisert av US Forest Service som:

• Vannforsterkende gel
• Skumsuppressanter
• Langtidsretardanter

Langtidsretardanter leveres vanligvis via fly over målområdene etter full blanding med vann. Deres retarderingseffekter produseres av kjemikalier som ammoniumfosfater, som har evnen til å motstå brenning eller bremse spredning av brann. Effektiviteten til disse retardantene varer så lenge den kjemiske restene forblir på vegetasjonen.

Når det gjelder vannforsterkende gel og skumsuppressanter, fungerer de begge som korttidsbrannsuppressanter. Disse løsningene kan kun motstå brann så lenge det er vann, noe som betyr at når vannet fordamper fra de påførte materialene, går også brannmotstanden tapt.

Blant disse har vannforsterkende gel vist seg å være usedvanlig effektive for å beskytte infrastruktur.

Vannforsterkende gel består vanligvis av superabsorberende polymerer som har evnen til å holde på vann sterkt, samt forbedre overflatens våtbarhet. På denne måten fungerer gelene svært godt som brannsuppressanter og barrierer for å beskytte hjem og kritisk infrastruktur i villmarken.

Polymerens svelling øker faktisk tykkelsen på vannbarrieren, noe som gir lengre vannretensjonstid. Evnen til å holde på vann i 30‑60 min gjør disse typene gel svært effektive for indirekte angrep for å beskytte hjem, bygninger og andre strukturer før skogbranner.

I motsetning til gelene har skum en kortere retensjonstid på kun 15‑30 min og kan ikke gi samme beskyttelsesnivå som gelene for indirekte angrep. Dette gjør vannforsterkende gel til en miljøvennlig og bærekraftig strategi for å undertrykke villmarksbranner.

Siden de fungerer så bra, finnes det mange gel på markedet for bruk, inkludert Thermo-Gel, en populær brannhemmende gel som brukes omfattende i USA og Canada og er godkjent av myndighetene. Den brukes både av huseiere og profesjonelle brannmannskaper. Gelen kan påføres strukturer, vegetasjon og andre overflater og er effektiv i flere timer etter påføring. Den kan fjernes med vann.

Barricade Fire Gel er en annen som danner et tykt termisk beskyttende gelbelegg for å beskytte hjem, strukturer, kjøretøy og drivstofftanker mot å bli brent av brann. Den blandes med vann for å gi fullstendig brannbeskyttelse og sprayes opptil 24 timer før en nærgående skogbrann.

FireIce Shield gir et beskyttende lag for å forhindre skader forårsaket av antenning, brenning eller forkullning. No-Burn Original Fire Gel er derimot en vannbasert brannhemmende gel som kan påføres overflater hvor den danner en barriere som motstår antenning.

Innovativ gel for å beskytte bygninger under skogbranner

Vannforsterkende gel har en tendens til å inkorporere hydrogelmaterialer. Dette er fordi hydrogel er polymerer som kan holde store mengder vann, noe som gjør dem effektive til å danne en barriere som motstår brann.

Hydrogelers kryssbundne polymerstruktur, som gjør dem uløselige, er det som gjør dem i stand til effektivt å absorbere og beholde betydelige mengder vann. Denne utrolige evnen til å lagre vann gir økt kjøling og fuktighetsvarighet når gelen påføres overflater som vegetasjon.

Selv om de er et attraktivt alternativ til skumsuppressanter og tradisjonelle langtidsretardanter, er hydrogel begrenset til et svært kort påføringsvindu under typisk skogbrannvær.

Problemet er at disse materialene tørker raskt og mister effektivitet under vind og høy varme, som er typisk for skogbrannforhold. Dette begrenser den praktiske bruken av hydrogel kraftig og øker også risikoen for de som påfører disse materialene.

Kilde: Stanford Report

For å løse denne begrensningen har forskere ved Stanford utviklet en vannforsterkende gel som hjelper med å forhindre at hjem og kritisk infrastruktur blir brent av skogbranner, med mye bedre resultater enn de nåværende tilgjengelige løsningene. Ifølge seniorforfatter Eric Appel, som er førsteamanuensis i materialvitenskap og -ingeniørfag ved School of Engineering:

“Under typiske skogbrannforhold tørker nåværende vannforsterkende gel ut på 45 minutter.”

Publisert for et par uker siden i Advanced Materials, har den nye forskningen introdusert en vannforsterkende hydrogelplattform som omdannes til en silikaerogel, et materiale som vekker stor interesse i vitenskaps- og teknologiverdenen.

Silikaerogel er kjent for sin optiske transparens, høye overflateareal og lave termiske ledningsevne, men viktigere er dens lave bulkdensitet med opptil 95 % av volumet som luft.

Den resulterende silikaerogelen i den siste studien hadde eksepsjonelle isolerende egenskaper under varmeaktivering, noe som bidrar til å utvide det effektive vinduet for overflatesikring mot antenning.

Ifølge studien viser disse materialene barriereegenskaper som er forbedret med mer enn 5 ganger sammenlignet med vannforsterkende gelprodukter som for tiden selges på markedet.

Forskerne dannet disse hydrogelene via polymer-partikkel (PP) interaksjoner mellom celluløse kjeder (biopolymerer) og kolloidale silikapartikler. PP-interaksjonene viste seg faktisk å spille en nøkkelrolle i å skape det varmeisolerende aerogelskjoldet effektivt ved vannfordampning.

Ifølge studien forsvinner vannet i disse materialene raskt når de utsettes for flammepåvirkning, noe som deretter fører til dannelsen av et robust solid silikannetverk. Dette nettverket fungerer som en solid fysisk barriere mot brann.

Forlengelse av den beskyttende effektiviteten, ifølge forfatterne, er det som skiller deres materiale fra andre skogbrannundertrykkende teknologier. Og dette er det som vil effektivt tette et gap i vår evne til å bekjempe skogbranner og beskytte kritisk infrastruktur, bemerket studien.

Testing og optimalisering av den nye branngelen

Finansiert av National Science Foundation sammen med Gordon & Betty Moore Foundation og Schmidt Science Fellows, har studien fra Stanford University lykkes med å utvikle en spraybar gel som beskytter bygninger mot skogbrannskader, samtidig som den varer lenger og er mer effektiv enn eksisterende kommersielle alternativer.

Å ha et bredere påføringsvindu betyr at man kan spraye gelen på forhånd før brannen og fortsatt få beskyttelsen. Og når brannen kommer, skal den fungere enda bedre.

Den nye plattformen har vært under utvikling i flere år. Tilbake i 2019 ble den samme gelen brukt av Appel og teamet for å holde skogbrannretardanter på vegetasjon i lang tid.

Appel kalte den nye utviklingen “serendipitous” og forklarte at de var nysgjerrige på oppførselen til disse gelene på egen hånd. Så de la litt på tre og brukte en fakkel fra laboratoriet for å eksponere den for flammer. Dette resulterte i et “super kult resultat” hvor gelen blåste opp til en aerogelskum.

Saken er at vannforsterkende gel bruker superabsorberende polymerer for brannbeskyttelse, noe som faktisk ligner på det absorberende pulveret som finnes i barnas engangsbleier.

Når disse gelene blandes med vann og deretter sprayes på en struktur, for eksempel ditt hjem, sveller de opp til et klebrig og tykt stoff. Stoffet fester seg til overflaten og danner et vått skjold.

På grunn av de ekstremt tørre og høytempererte forholdene rundt skogbranner som får vannet låst i gelen til å fordampe raskt, har Stanford-forskerne også inkorporert silikapartikler sammen med en cellulosebasert polymer.

Så når gelene utsettes for varme og vannet fordamper, blir silikapartiklene igjen og samles til en skum. Skummet er svært isolerende og hindrer varmetransport. Ved å spre varmen beskytter det “fullstendig” overflaten under seg.

“Dette miljøbevisste gjennombruddet overgår nåværende kommersielle løsninger, og tilbyr et overlegent og skalerbart forsvar mot skogbranner.”

– Changxin Dong, studiens hovedforfatter

For å vurdere den nye gelen påførte forskerne flere formuleringer på kryssfinerstykker og eksponerte dem deretter for direkte flamme. Flammen fra gassfakkelen brenner ved en betydelig høyere temperatur enn villmarksbranner.

Testing avslørte at den mest effektive sammensetningen fra teamet varte i over syv minutter før kryssfinerstykkene begynte å svi. Dette var langt lengre enn de under 90 sekunder en kommersielt tilgjengelig vannforsterkende gel varte da den ble testet på samme måte.

“Tradisjonelle gel fungerer ikke når de tørker ut,” sa Appel, og bemerket at i motsetning til dem fortsetter deres gel å beskytte overflatene den påføres etter at alt vannet har fordampet, og når brannen er over, kan den også lett vaskes bort.

Selv om teamet oppnådde første suksess for flere år siden, krevde det mye ingeniørarbeid å optimalisere formuleringen. Å være laget av ikke-giftige komponenter betyr også at den er “trygg for både mennesker og miljøet,” sa Appel. I tillegg brytes polymeren i gelen lett ned av jordmikrober.

Selv om det kan være behov for ytterligere optimalisering, håper Appel å gjennomføre en pilotapplikasjon og evaluering av disse gelene. Dette vil gjøre det mulig for Appel og teamet å begynne å bruke dem for å beskytte kritisk infrastruktur når en brann kommer.

Klikk her for å lære hvordan AI og en voksende ‘Occurrence Database’ vil hjelpe med å takle skogbranner.

Selskaper involvert i brannbeskyttelse og materialvitenskap

Gitt hvor kritisk det er å ha effektive løsninger, finnes det en rekke selskaper involvert i ulike aspekter av skogbrannmitigasjon.

For eksempel tilbyr PPG Industries (PPG ) og Sherwin-Williams (SHW ) brannbeskyttende belegg, mens Ecolab hovedsakelig fokuserer på vann-, hygiene- og infeksjonsforebyggende løsninger, selv om de også leverer brann- og redningstjenester til en rekke industrier.

La oss nå se nærmere på et par fremtredende navn:

#1. 3M Company 

3M produserer en rekke brannbeskyttelsesprodukter, inkludert brannslukningsgel og skum. Dette diversifiserte teknologiselskapet er også involvert i slipemidler, maskeringssystemer, elektriske markeder, personlig sikkerhet, takgranulater, industrielle lim, malingsprayprodukter, avanserte materialer, bil- og luftfartssektoren, kommersielle løsninger, displaymaterialer og mer, i tillegg til omfattende FoU for å skape bedre produkter og løsninger.

Med en markedsverdi på 72,3 milliarder dollar, handles 3M-aksjer for øyeblikket til 131,43 dollar, opp 20,39 % år‑til‑dato. EPS (TTM) er 1,40, med en P/E (TTM)-ratio på 93,93 og en utbytteavkastning på 2,13 %.

For Q2 2024 rapporterte selskapet 6,3 milliarder dollar i justert omsetning, noe som var ned 0,5 % år‑over‑år, mens driftskontantstrømmen var 1 milliard dollar. GAAP EPS fra løpende virksomhet var 2,17 dollar, opp 117 % år‑over‑år. Justert EPS økte også 39 % år‑over‑år til 1,93 dollar, mens 786 millioner dollar ble utbetalt til aksjonærene via utbytte og aksjetilbakekjøp.

“Vi leverte nok et sterkt kvartal med justert inntjening som vokste med tosifrede tall og robust kontantgenerering.”

– 3M administrerende direktør William Brown

Han bemerket også at deres fokus fremover er på å effektivt bruke kapital, øke operasjonell ytelse og drive vedvarende organisk inntektsvekst.

#2. Dow Inc.

Dow er involvert i produksjon av avanserte materialer som superabsorberende polymerer som brukes i hydrogel. Selskapet tilbyr også en rekke produkter for brannmotstand, inkludert DOWSIL™ Smoke Seal 800SL, som er en silikontetting som kan bidra til å hindre spredning av røyk og flammer mellom gulvforbindelser. Dow er også involvert i emballasje, energi og forbrukerløsninger.

Med en markedsverdi på 37,5 milliarder dollar, handles Dow-aksjer for øyeblikket til 53,51 dollar, ned 2,43 % år‑til‑dato. Selskapets EPS (TTM) er 1,62, P/E (TTM)-ratioen er 33,11, og utbytteavkastningen er 5,23 %.

For Q2 2024 rapporterte Dow 10,9 milliarder dollar i nettoomsetning, noe som var en nedgang på 4 % år‑over‑år, mens salget økte med 1 % drevet av gevinster i Performance Materials & Coatings. Kontantstrøm fra driften var 832 millioner dollar, mens fri kontantstrøm var 109 millioner dollar, noe som gjorde det mulig for Dow å returnere 691 millioner dollar til sine aksjonærer. Egenkapitalinntektene økte med 9 millioner dollar sekvensielt. GAAP EPS var 0,62 dollar, mens drifts‑EPS var 0,68 dollar.

“Tempoet i den globale makroøkonomiske gjenopprettingen har vært langsommere enn forventet. Vi forblir fokusert på arbeidskapital, kostnadsreduksjon og å tilpasse våre driftsrater til nåværende etterspørsel. Vi innoverer sammen med våre kunder.”

– Dow Inc. administrerende direktør Jim Fitterling 

Konklusjon

Den ukontrollerte forbrenningen av vegetasjon (dvs. skogbranner) fortsetter å forårsake kaos globalt. I fjor rapporterte skogbranner som feide gjennom Canadas skoger at de slapp ut 647 megatonn klimagasser – mer enn hva de syv største utslippslandene gjør årlig. I tillegg er det faktum at nesten 80 millioner eiendommer i USA er i fare for skogbrann.

Ettersom skogbranner fortsetter å utgjøre alvorlige risikoer, er det et presserende behov for kontinuerlig forskning, innovasjon og kritiske fremskritt, som hydrogelene utviklet av forskere ved Stanford University. Disse teknologiene kan bidra til å opprettholde effektiviteten under skogbranner og hjelpe med å beskytte hjem, liv og økosystemer.

Klikk her for en liste over selskaper som jobber med løsninger for å takle den globale oppvarmingstrusselen.