Skydd mot skogsbränder – Framsteg i lösningar med ‘värmeaktiverbara biomimetiska hydrogeler’

Skogsbränder blir allt allvarligare och orsakar skador över hela världen. År 2023, nästan 12 miljoner hektar brann, vilket satte ett nytt rekord, 24 % högre än föregående. Detta gjorde 2023 till det värsta året för globala skogsbränder, med 2021 som det tredje värsta och 2020 som det fjärde.

Detta visar en tydlig bild: katastrofala skogsbränder blir mer allvarliga, allt vanligare och sprider sig över stora områden. Trenden är tydlig i USA, Europa och Australien.  

Klimatförändringarna förvärrar ytterligare skogsbrandkatastrofen genom att intensifiera värmeböljor och torkperioder, vilket skapar torra och varma förhållanden som underlättar antändning och spridning av skogsbränder.

Detta är mycket oroande, eftersom dessa skogsbränder tillför 5–8 miljarder ton koldioxid varje år. Dessutom orsakar skogsbränder nu förlusten av nästan 6 miljoner fler hektar trädäckning per år jämfört med 2001. Vidare står bränderna för 33 % av all förlust av trädäckning, upp från 20 % för två decennier sedan.

Utöver allt detta påverkar skogsbränder människor både direkt och indirekt. Medan hundratals människor dör i bränderna varje år, blir många fler evakuerade eller permanent fördrivna från sina hem.

Sammanfattningsvis leder skogsbrandshändelser till förödande förluster av resurser, infrastruktur, människors liv och försörjning i de drabbade områdena samt ekonomin.

För att effektivt kunna bemöta och bekämpa skogsbränder behövs miljövänliga lösningar som kan förbättra hanteringen av skogsbränder, kontrollera bränder i vildmarken och skydda områden från skador.

Brandskyddsmetoder: Geléer, Skum och Retardanter

Det finns flera kemiska system för brand i vildmarken som minskar risken för antändning och skyddar hem och infrastruktur. Dessa system kategoriseras av US Forest Service som:

• Vattenförstärkande geléer
• Skumsläckningsmedel
• Långtidsretardanter

Långtidsretardanter levereras vanligtvis via flygplan över målområden efter full blandning med vattenutspädning. Deras retarderingseffekter produceras av kemikalier som ammoniumfosfat som har förmågan att motstå förbränning eller sakta brandens spridning. Effektiviteten hos dessa retardanter varar så länge den kemiska resterna finns kvar på växtligheten.

När det gäller vattenförstärkande geléer och skumsläckningsmedel fungerar de båda som korttidsbrandbekämpningsmedel. Dessa lösningar kan endast motstå brand så länge det finns vatten, vilket betyder att när vattnet avdunstar från de applicerade materialen, försvinner även brandmotståndet.

Bland dessa har vattenförstärkande geléer visat sig vara exceptionellt effektiva för att skydda infrastruktur. 

Vattenförstärkande geléer består vanligtvis av superabsorberande polymerer som har förmågan att starkt behålla vatten samt förbättra ytors våtbarhet. På så sätt fungerar dessa geléer mycket bra som brandbekämpningsmedel och barriärer för att skydda hem och kritisk infrastruktur i vildmarken.

Polymerens svullning ökar faktiskt tjockleken på vattenbarriären, vilket möjliggör en längre vattenretentionstid. Förmågan att behålla vatten i 30–60 min gör dessa typer av geléer mycket effektiva för indirekta skyddsåtgärder för att skydda hem, byggnader och andra strukturer inför skogsbränder.

Till skillnad från geléerna har skum en kortare retentionstid på endast 15–30 min och kan inte erbjuda samma skyddsnivå som geléerna för indirekta skyddsåtgärder. Detta gör vattenförstärkande geléer till en miljövänlig och hållbar strategi för att släcka bränder i vildmarken.

Eftersom de fungerar så bra finns det många geléer på marknaden för användning, inklusive Thermo-Gel, en populär brandhämmande gel som används i stor utsträckning i USA och Kanada och är godkänd av myndigheterna. Den används både av husägare och professionella brandbekämpningsteam. Gelén kan appliceras på strukturer, växtlighet och andra ytor och är effektiv i flera timmar efter applicering. Den kan avlägsnas med vatten.

Barricade Fire Gel är en annan produkt som bildar ett tjockt termiskt skyddsgelbeläggning för att skydda dina hem, strukturer, fordon och bränsletankar från att brännas av brand. Den blandas med vatten för att ge ett fullständigt brandskydd och sprutas upp till 24 timmar innan en närmande skogsbrand.

FireIce Shield ger ett skyddande lager för att förhindra skador orsakade av antändning, förbränning eller förkolning. No-Burn Original Fire Gel, å andra sidan, är ett vattenbaserat brandhämmande medel som kan appliceras på ytor där det bildar en barriär som motstår antändning.

Innovativ gel för att skydda byggnader under skogsbränder

Vattenförstärkande geléer tenderar att innehålla hydrogelmaterial. Detta beror på att hydrogeler är polymerer som kan behålla stora mängder vatten, vilket gör dem effektiva för att bilda en brandmotståndande barriär.

Hydrogelers tvärbundna polymerstruktur, som gör dem olösliga, är det som möjliggör att de effektivt absorberar och behåller stora mängder vatten. Denna otroliga förmåga att lagra vatten möjliggör ökad kylning och längre våtningstid när gelen appliceras på ytor som växtlighet.

Även om de är ett attraktivt alternativ till skumsläckningsmedel och traditionella långtidsretardanter, är hydrogeler begränsade till ett mycket kort appliceringsfönster under typiskt väder för skogsbränder. 

Problemet är att dessa material snabbt torkar och förlorar sin effektivitet under vind och hög värme, vilket är typiskt för skogsbrandförhållanden. Detta begränsar kraftigt den praktiska användningen av hydrogeler och ökar dessutom risken för dem som applicerar dessa material.

Källa: Stanford Report

För att lösa denna begränsning har forskare vid Stanford utvecklat en vattenförstärkande gel för att hjälpa till att förhindra att hem och kritisk infrastruktur bränns av skogsbränder, med mycket bättre resultat än de nu tillgängliga lösningarna. Enligt seniorförfattaren Eric Appel, som är docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid School of Engineering:

“Under typiska skogsbrandförhållanden torkar nuvarande vattenförstärkande geléer ut på 45 minuter.”

Publicerad för ett par veckor sedan i Advanced Materials har den nya forskningen introducerat en vattenförstärkande hydrogelplattform som omvandlas till ett silikageler, ett material som väcker mycket intresse inom vetenskap och teknik.

Silikageler är känt för sin optiska transparens, stora yta och låga värmeledningsförmåga, men ännu viktigare är dess låga bulkdensitet med upp till 95 % av volymen som luft.

Det resulterande silikageler i den senaste studien hade exceptionella isoleringsegenskaper under värmeaktivering, vilket hjälper till att utöka det effektiva skyddsfönstret för ytor mot antändning.

Enligt studien visar dessa material en förbättrad barriäregenskaper med mer än 5‑gångar jämfört med vattenförstärkande gelprodukter som för närvarande säljs på marknaden.

Forskarna bildade dessa hydrogeler via polymer-partikel (PP) interaktioner mellan cellulosa kedjor (biopolymerer) och kolloidala silikapartiklar. PP-interaktionerna visade sig faktiskt spela en nyckelroll i att skapa det värmeisolerande aerogelskyddet effektivt vid vattenavdunstning.

Enligt studien förloras vatten i dessa material snabbt när de utsätts för flammor, vilket sedan leder till bildandet av ett robust fast silikonnätverk. Detta nätverk fungerar som en stark fysisk barriär mot brand.

Att förlänga den skyddande effektiviteten, enligt författarna, är vad som skiljer deras material från andra teknologier för skogsbrandsläckning. Och detta är vad enligt studien effektivt kommer att fylla ett gap i vår förmåga att bekämpa skogsbränder och skydda kritisk infrastruktur.

Testning och optimering av den nya brandgelen

Finansierad av National Science Foundation tillsammans med Gordon & Betty Moore Foundation och Schmidt Science Fellows, har studien från Stanford University lyckats utveckla en spraybar gel som skyddar byggnader från skogsbrandskador samtidigt som den varar längre och är mer effektiv än befintliga kommersiella alternativ.

Att ha ett bredare appliceringsfönster innebär att man kan spraya gelen i förväg innan branden och ändå få skyddet. Och när branden kommer, bör den fungera ännu bättre.

Den nya plattformen har utvecklats i flera år. År 2019 använde Appel och teamet samma gel för att hålla skogsbrandretardanter på växtlighet under en lång tid.

Appel kallade den nya utvecklingen “serendipitös” och förklarade att de var nyfikna på hur dessa geléer beter sig på egen hand. Så de placerade lite på trä och använde sedan en brännare i laboratoriet för att utsätta den för lågor. Detta resulterade i ett “supercoolt resultat” där gelen puffade upp till ett aerogelskum.

Problemet är att vattenförstärkande geléer använder superabsorberande polymerer för brandskydd, vilket faktiskt liknar det absorberande pulvret i ditt barns engångsblöjor. 

När dessa geléer blandas med vatten och sedan sprayas på en struktur, exempelvis ditt hem, sväller de till ett klibbigt och tjockt ämne. Ämnet fäster på ytan och bildar ett vått skydd.

På grund av de extremt torra och högtempererade förhållandena kring skogsbränder, som får vattnet i gelen att avdunsta snabbt, har Stanford-forskarna också införlivat silikapartiklar tillsammans med ett cellulosa-baserat polymer.

Så när geléerna utsätts för värme och vattnet avdunstar, blir silikapartiklarna kvar och samlas till ett skum. Skummet är starkt isolerande och förhindrar värmeöverföring. Genom att sprida värmen skyddar det “fullständigt” ytan under.

“Detta miljömedvetna genombrott överträffar nuvarande kommersiella lösningar och erbjuder ett överlägset och skalbart försvar mot skogsbränder.”

– Changxin Dong, studiens huvudförfattare

För att utvärdera den nya gelen applicerade forskarna flera formuleringar på plywoodbitar och utsatte dem sedan för direkt låga. Lågan från gasbrännaren brinner vid en betydligt högre temperatur än skogsbränder.

Testerna visade att den mest effektiva sammansättningen från teamet höll i över sju minuter innan plywoodbitarna började förkolas. Detta var mycket längre än de mindre än 90 sekunder som en kommersiellt tillgänglig vattenförstärkande gel höll i när den testades på samma sätt.

“Traditionella geléer fungerar inte när de har torkat,” sade Appel och påpekade att till skillnad från dem fortsätter deras gel att skydda ytorna den appliceras på efter att allt vatten har avdunstat och, när branden är släckt, kan den också enkelt tvättas bort.

Även om teamet uppnådde initial framgång för flera år sedan krävdes mycket ingenjörsarbete för att optimera formuleringen. Att den är tillverkad av icke-toxiska komponenter innebär också att den är “säker för både människor och miljön,” sade Appel. Dessutom bryts polymeren i gelen lätt ner av jordens mikrober.

Även om det kan finnas behov av ytterligare optimering hoppas Appel kunna genomföra en pilotapplikation och utvärdering av dessa geléer. Detta kommer att möjliggöra för Appel och teamet att börja använda dem för att skydda kritisk infrastruktur när en brand drar förbi.

Klicka här för att lära dig hur AI och en växande ‘Occurrence Database’ kommer att hjälpa till att bekämpa skogsbränder.

Företag involverade i brandskydd & materialvetenskap

Med tanke på hur kritiskt det är att ha effektiva lösningar finns ett antal företag involverade i olika aspekter av lösningar för att mildra skogsbränder.

Till exempel erbjuder PPG Industries (PPG ) och Sherwin-Williams (SHW ) brandskyddande beläggningar, medan Ecolab främst fokuserar på vatten-, hygien- och infektionsförebyggande lösningar, men även tillhandahåller brand- och räddningstjänster till en rad olika industrier.

Låt oss nu ta en djupare titt på ett par framstående namn:

#1. 3M Company 

3M producerar en mängd brandskyddsprodukter, inklusive brandbekämpningsgeléer och skum. Detta diversifierade teknikföretag är också involverat i slipmedel, maskeringssystem, elmarknader, personlig säkerhet, takgranuler, industriella lim, färgsprutmålningar, avancerade material, fordons- och rymdindustrin, kommersiella lösningar, displaymaterial och mer, samt omfattande FoU för att skapa bättre produkter och lösningar.

Med ett börsvärde på 72,3 miljarder dollar handlas 3M-aktier för närvarande till 131,43 dollar, upp 20,39 % år‑till‑datum. Dess EPS (TTM) är 1,40, med ett P/E‑förhållande (TTM) på 93,93 och en utdelningsavkastning på 2,13 %.

För Q2 2024 rapporterade företaget rapporterade $6,3 miljarder i justerade försäljningar, vilket var en nedgång med 0,5 % år‑till‑år, medan operativt kassaflöde var $1 miljard. GAAP EPS från fortsatta verksamheter var $2,17, upp 117 % år‑till‑år. Justerad EPS ökade också med 39 % år‑till‑år till $1,93, medan $786 miljoner betalades ut till aktieägarna via utdelningar och återköp av aktier.

“Vi levererade ännu ett starkt kvartal med justerad vinsttillväxt i tvåsiffriga procent och robust kassagenerering.”

– 3M VD William Brown

Han noterade också att deras fokus framöver är att effektivt använda kapital, öka operativ prestanda och driva hållbar organisk intäktstillväxt.

#2. Dow Inc.

Dow är involverat i produktionen av avancerade material som superabsorberande polymerer som används i hydrogeler. Företaget erbjuder också en mängd produkter för brandmotstånd, inklusive DOWSIL™ Smoke Seal 800SL, som är en silikonförsegling som kan hjälpa till att förhindra spridning av rök och lågor mellan golvförbindelser. Dow är också involverat i förpackningar, energi och konsumentlösningar.

Med ett börsvärde på 37,5 miljarder dollar handlas Dow-aktier för närvarande till $53,51, ner 2,43 % år‑till‑datum. Företagets EPS (TTM) är 1,62, dess P/E‑förhållande (TTM) är 33,11 och utdelningsavkastningen är 5,23 %.

För Q2 2024 rapporterade Dow rapporterade $10,9 miljarder i nettoförsäljning, vilket var en nedgång med 4 % år‑till‑år, medan försäljningen ökade med 1 % drivet av vinster i Performance Materials & Coatings. Kassaflödet från verksamheten var $832 miljoner, medan fritt kassaflöde var $109 miljoner, vilket möjliggjorde att Dow återbetalade $691 miljoner till sina aktieägare. Dess eget kapitalresultat ökade med $9 miljoner sekventiellt. GAAP EPS var $0,62, medan operativ EPS var $0,68.

“Takten i den globala makroekonomiska återhämtningen har varit långsammare än förväntat. Vi förblir fokuserade på rörelsekapital, kostnadsreducering och att anpassa våra driftstift till aktuell efterfrågan. Vi innoverar tillsammans med våra kunder.”

– Dow Inc. VD Jim Fitterling 

Slutsats

Den okontrollerade förbränningen av vegetation (dvs. skogsbränder) fortsätter att orsaka förödelse globalt. Förra året rapporterades att skogsbränder som svepte över Kanadas skogar släppte ut 647 megaton av växthusgaser—mer än vad de sju största utsläppslandena gör årligen. Dessutom är nästan 80 miljoner fastigheter i USA i riskzonen för skogsbränder.

Eftersom skogsbränder fortsätter att utgöra allvarliga risker finns ett brådskande behov av ständig forskning, innovation och kritiska framsteg, såsom de hydrogeler som utvecklats av forskare vid Stanford University. Dessa teknologier kan hjälpa till att upprätthålla effektiviteten under skogsbränder och skydda hem, liv och ekosystem.

Klicka här för en lista över företag som arbetar med lösningar för att bekämpa den globala uppvärmningsfaran.