Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ ανέπτυξαν ένα τζελ που όταν ψεκάζεται δημιουργεί μια ασπίδα προστασίας στα κτίρια κατά τη διάρκεια πυρκαγιών, διαρκεί περισσότερο και είναι πιο αποτελεσματικό από τις υπάρχουσες εμπορικές επιλογές.
Καθώς η κλιματική αλλαγή θα οδηγεί σε θερμότερες και ξηρότερες περιβαλλοντικές συνθήκες, θα βλέπουμε μακρύτερες περιόδους με μεγαλύτερες και συχνότερες πυρκαγιές. Τα τελευταία χρόνια, μεγάλες πυρκαγιές έχουν καταστρέψει σπίτια και υποδομές, έχουν προκαλέσει καταστροφικές απώλειες σε ζωές και στο βιός των ανθρώπων που ζουν στις πληγείσες περιοχές και έχουν καταστρέψει τους πόρους της άγριας ζωής και την οικονομία. Χρειαζόμαστε λοιπόν, νέες λύσεις για την καταπολέμηση των πυρκαγιών και την προστασία των περιοχών από ζημιές.
Ερευνητές στο Στάνφορντ ανέπτυξαν τώρα ένα ενισχυτικό τζελ νερού που θα μπορούσε να ψεκαστεί σε σπίτια και σε κρίσιμες υποδομές για να μην καούν κατά τη διάρκεια των πυρκαγιών. Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Advanced Materials δείχνει ότι αυτό το νέο τζελ διαρκεί περισσότερο και είναι σημαντικά πιο αποτελεσματικό από τα υπάρχοντα τζελ του εμπορίου.
«Υπό τυπικές συνθήκες πυρκαγιάς, τα υπάρχοντα τζελ που ενισχύουν το νερό στεγνώνουν σε 45 λεπτά», αναφέρει σε σχετικό δελτίο τύπου ο Eric Appel , αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στη Σχολή Μηχανικών του Στάνφορντ , ο οποίος είναι ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. «Έχουμε αναπτύξει ένα τζελ που έχει ένα ευρύτερο παράθυρο εφαρμογής – μπορεί κάποιος να το ψεκάσει πριν από τη φωτιά και να επωφεληθεί από την προστασία του όταν θα φτάσει η φωτιά.
Προστασία μακράς διαρκείας
Τα συνήθη ενισχυτικά τζελ του νερού κατασκευάζονται από υπερ-απορροφητικά πολυμερή, παρόμοια με το απορροφητικό υλικό που βρίσκεται στις πάνες μιας χρήσης. Αναμειγνύονται με νερό, ψεκάζονται σε ένα κτίριο και διογκώνονται σε μια ζελατινώδη ουσία που προσκολλάται στο εξωτερικό ενός κτιρίου, δημιουργώντας μια παχιά, υγρή ασπίδα. Αλλά οι συνθήκες κοντά σε μια πυρκαγιά είναι εξαιρετικά ξηρές, οι θερμοκρασίες μπορεί να είναι κοντά στους 100 βαθμούς, με ισχυρούς ανέμους και με 0% υγρασία, με αποτέλεσμα, ακόμη και το νερό που είναι ‘κλειδωμένο’ σε ένα τζελ να εξατμίζεται αρκετά γρήγορα.
Το τζελ που σχεδίασαν ο Appel και οι συνεργάτες του, εκτός από ένα πολυμερές με βάση την κυτταρίνη, περιέχει σωματίδια πυριτίου, τα οποία παραμένουν όταν τα πηκτώματα υποβάλλονται σε θερμότητα. «Ανακαλύψαμε ένα μοναδικό φαινόμενο όπου, υπό συνθήκες θερμότητας, μια μαλακή υδρογέλη μετατρέπεται ομαλά σε μια στιβαρή ασπίδα αερογέλης (αεροπήκτωμα), προσφέροντας ενισχυμένη και μακροχρόνια προστασία από τις πυρκαγιές. Αυτή η περιβαλλοντικά συνειδητή ανακάλυψη ξεπερνά τις τρέχουσες εμπορικές λύσεις, προσφέροντας μια ανώτερη άμυνα εναντίον των πυρκαγιών», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Changxin «Lyla» Dong.
«Όταν το νερό βράζει από τη φωτιά και όλη η κυτταρίνη καίγεται, παραμένουν τα σωματίδια πυριτίου συναρμολογημένα σε αφρό», λέει ο Appel. «Αυτός ο αφρός είναι εξαιρετικά μονωτικός και διασκορπίζει όλη τη θερμότητα, προστατεύοντας πλήρως το υπόστρωμα από κάτω του».
Το πυρίτιο σχηματίζει ένα αερογέλη, μια συμπαγή, πορώδη δομή που είναι ένα ιδιαίτερα καλό μονωτικό υλικό. Παρόμοια αερογέλη πυριτίου χρησιμοποιείται σε διαστημικές εφαρμογές επειδή είναι εξαιρετικά ελαφριά και μπορεί να αποτρέψουν τη μεταφορά θερμότητας.
Οι ερευνητές δοκίμασαν διάφορα σκευάσματα του νέου τους τζελ σε κομμάτια κόντρα πλακέ, εκθέτοντάς τα στη φλόγα ενός πυρσού αερίου, ο οποίος καίει σε πολύ υψηλότερη θερμοκρασία από μια πυρκαγιά. Η αποτελεσματική σύνθεσή τους διήρκεσε για περισσότερα από 7 λεπτά πριν αρχίσει να απανθρακώνεται το κόντρα πλακέ. Η ανθεκτικότητα ενός αντίστοιχου τζελ ενίσχυσης νερού του εμπορίου είναι λιγότερο από 90 δευτερόλεπτα.
«Τα παραδοσιακά τζελ αχρηστεύονται μόλις στεγνώσουν», είπε ο Appel. «Το υλικό μας σχηματίζει αυτή την αερογέλη πυριτίου όταν εκτίθενται στη φωτιά και συνεχίζει να προστατεύει τα υποστρώματα ακόμη και όταν εξατμιστεί όλο το νερό. Αυτό το υλικό ξεπλένεται εύκολα όταν περάσει η φωτιά».
Μια «θορυβώδης» ανακάλυψη
Το νέο τζελ είναι συνέχεια του προηγούμενου έργου του Appel για την πρόληψη των πυρκαγιών. Το 2019, ο Appel και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν αυτή την ίδια γέλη ως «όχημα» επιβραδυντικών υλικών φωτιάς σε βλάστηση για μήνες κάθε φορά. Το σκεύασμα είχε σκοπό να βοηθήσει στην πρόληψη της ανάφλεξης σε περιοχές που είναι επιρρεπείς σε πυρκαγιές.
«Δουλεύουμε με αυτήν την πλατφόρμα χρόνια τώρα», είπε ο Appel. «Αυτή η νέα εξέλιξη ήταν κάπως «θορυβώδης». Αναρωτιόμασταν πώς θα συμπεριφερόταν αυτό το τζελ από μόνο του και έτσι απλά σπρώξαμε λίγο σε ένα κομμάτι ξύλο και το εκθέσαμε στις φλόγες από έναν πυρσό, Αυτό που παρατηρήσαμε ήταν ότι το τζελ διογκώθηκε σε αφρό αερογέλης».
Μετά από αυτή την αρχική επιτυχία, χρειάστηκαν αρκετά χρόνια πρόσθετης μηχανικής για να βελτιστοποιηθεί η σύνθεση. Το υλικό είναι πλέον σταθερό στην αποθήκευση, ψεκάζεται εύκολα με κοινό εξοπλισμό και προσκολλάται καλά σε κάθε είδους επιφάνεια. Το τζελ είναι κατασκευασμένο από μη τοξικά συστατικά που έχουν ήδη εγκριθεί για χρήση από την Υπηρεσία Δασών των ΗΠΑ και οι ερευνητές διεξήγαν μελέτες για να δείξουν ότι διασπώνται εύκολα από τα μικρόβια του εδάφους.
«Είναι ασφαλές τόσο για τους ανθρώπους, όσο και για το περιβάλλον», προσθέτει ο Appel. «Μπορεί να χρειαστεί να υπάρξει πρόσθετη βελτιστοποίηση, αλλά ελπίζω ότι μπορούμε να κάνουμε πιλοτική εφαρμογή και αξιολόγηση αυτού του πηκτώματος, ώστε να το χρησιμοποιήσουμε για να προστατέψουμε ζωτικές υποδομές όταν ξεσπάσει πυρκαγιά».
