Изменение климата приводит к более жарким и сухим условиям, мы наблюдаем удлинение пожароопасных сезонов и масштабные и частые лесные пожары. В последние годы огонь часто уничтожает дома и инфраструктуру, приводит к катастрофическим потерям жизней и средств к существованию людей, наносит ущерб ресурсам дикой природы и экономике. Нужны новые решения для борьбы с лесными пожарами и защиты территорий от разрушений.
Исследователи из Стэнфорда разработали гель, который можно распылять на дома и важнейшие объекты инфраструктуры, чтобы уберечь их от возгорания во время лесных пожаров. Исследование, опубликованное Advanced Materials, показывает, что новый гель действует дольше и значительно эффективнее, чем существующие средства.
«В типичных условиях лесных пожаров существующие препараты, улучшающие водоотдачу, высыхают за 45 минут. Мы разработали гель, который имеет более широкое применение – вы можете распылить его заблаговременно и все равно он подействует», – говорит Эрик Аппель, доцент кафедры материаловедения и инженерии, старший автор статьи.
Гели, повышающие влагостойкость, изготавливаются из супервпитывающих полимеров – таких же, как порошок, используемый в одноразовых подгузниках. Смешанные с водой и распыленные на здание, они разбухают в студенистое вещество, которое прилипает к внешней стороне конструкции, создавая плотный, влажный щит. Но условия вблизи лесного пожара чрезвычайно сухие – температура может быть около 100 градусов, сильный ветер и нулевая влажность – и даже вода, содержащаяся в геле, испаряется довольно быстро.
В новом средстве вода – это только первый слой защиты. Помимо полимера на основе целлюлозы гель содержит частицы кремнезема, которые остаются после нагревания. «Мы обнаружили уникальное явление, когда мягкий гидрогель под воздействием тепла плавно переходит в прочный аэрогель, обеспечивая усиленную и долговременную защиту от лесных пожаров. Этот экологически безопасный метод превосходит существующие решения и предлагает превосходную защиту от лесных пожаров», – говорит ведущий автор исследования Чансин Лайла Донг.
Когда вода выкипает и вся целлюлоза сгорает, остаются частицы кремнезема, собранные в пену, которая обладает высокой теплоизоляцией и рассеивает все тепло, полностью защищая материал под ней. Кремнезем образует аэрогель – твердую, пористую структуру, которая является особенно хорошим изолятором. Подобные аэрогели используются в космической технике, поскольку они очень легкие и могут препятствовать передаче тепла.
Исследователи протестировали несколько составов нового геля, нанеся их на куски фанеры и подвергнув воздействию прямого пламени, температура горения которого значительно выше, чем у лесного пожара. Самый эффективный состав продержался более 7 минут, прежде чем доска начала обугливаться. Когда был протестирован таким образом имеющийся в продаже гель, он защитил фанеру менее 90 секунд.
«Традиционные средства не работают после высыхания. Наши материалы под воздействием огня образуют кремнеземный аэрогель, который продолжает защищать обработанные поверхности после испарения воды. Эти материалы можно легко смыть после того, как огонь угаснет», – говорит Аппель.
«Новая разработка была получена несколько случайно – нам было интересно, как эти гели поведут себя сами по себе, поэтому мы просто размазали их на куске дерева и подвергли воздействию пламени от факела, который валялся у нас в лаборатории. В результате мы увидели отличный результат: гели вспучились и превратились в аэрогель», – рассказали ученые.
После первого успеха потребовалось несколько лет дополнительных разработок, чтобы оптимизировать рецептуру. Теперь состав пригоден для хранения, легко распыляется с помощью стандартного оборудования и хорошо прилипает к любым поверхностям. Гели изготовлены из нетоксичных компонентов, которые легко разлагаются почвенными микробами.
[Фото: Andrea d'Aquino / Stanford University]
