Nieuwe ‘watergel’ beschermt gebouwen tegen bosbranden

Het onderzoek in Advanced Materials toont aan dat de nieuwe gels langer meegaan en aanzienlijk beter werken dan huidige varianten.

“Onder typische omstandigheden bij bosbranden drogen de huidige hydrogels binnen 45 minuten uit”, zegt Eric Appel, hoogleraar materiaalwetenschappen aan Stanford Engineering. “Onze gel is breder toepasbaar. Je kunt het goedje langer op voorhand spuiten, en het zal beter werken als het vuur het gebouw bereikt heeft.”

Dik, nat schild

Hydrogels zijn gemaakt van polymeren, net als het absorberende materiaal in wegwerpluiers. Als je ze mengt met water en op een gebouw sproeit, zwellen ze op tot een gelatineachtige substantie die zich vasthecht aan de buitenkant van de constructie en zo een dik, nat schild vormt.

Maar de omstandigheden in de buurt van een natuurbrand zijn extreem droog. De temperatuur kan er oplopen tot bijna 100 graden, met harde wind en een luchtvochtigheid van nul procent. Zelfs water dat in een gel zit opgesloten verdampt dan vrij snel.

In het materiaal dat Appel en zijn collega's hebben ontworpen, is het water slechts de eerste beschermingslaag. Naast een polymeer op basis van cellulose bevat de gel ook silicadeeltjes, die achterblijven wanneer de gels aan hitte worden blootgesteld.

Getest op multiplex

“We hebben een uniek fenomeen ontdekt waarbij een zachte, plakkerige hydrogel onder invloed van hitte naadloos overgaat in schuim, dat verbeterde en langdurige bescherming biedt tegen bosbranden. Deze doorbraak overtreft de huidige commerciële oplossingen en biedt een superieure en schaalbare verdediging tegen bosbranden”, verklaart hoofdauteur van de studie, Changxin ‘Lyla’ Dong.

“Wanneer het water verdampt en alle cellulose verbrandt, blijven de silicadeeltjes over die samen een schuim vormen,” zegt Appel. “Dat schuim is zeer isolerend en verspreidt uiteindelijk alle warmte, waardoor hetgeen eronder zit volledig wordt beschermd.”

De silica vormt een aerogel - een vaste, poreuze structuur die een bijzonder goede isolator is. Soortgelijke silica-aerogels worden gebruikt in ruimtetoepassingen omdat ze extreem licht zijn en de meeste manieren van warmteoverdracht kunnen voorkomen.

De onderzoekers hebben verschillende samenstellingen van hun nieuwe gel getest door ze aan te brengen op stukken multiplex en ze bloot te stellen aan directe vlammen van een gasbrander, die op een aanzienlijk hogere temperatuur brandt dan een wildvuur. Hun meest effectieve samenstelling hield het meer dan 7 minuten vol voordat de plaat begon te verkolen. Een commercieel verkrijgbare hydrogel kon het multiplex-hout minder dan 90 seconden beschermen.

Toevallige ontdekking

De nieuwe gels bouwen voort op eerdere werk van Appel op het gebied van brandpreventie. In 2019 gebruikten hij en zijn collega's zulke gels als een middel om brandvertragers maandenlang op de vegetatie te houden. Ze zijn bedoeld om te voorkomen dat er brand uitbreekt in risicovolle gebieden.

Deze nieuwe ontwikkeling was eerder toevallig. “We vroegen ons af hoe deze gels zich uit zichzelf zouden gedragen, dus we smeerden wat op een stuk hout en stelden het bloot aan de vlammen van een bunsenbrander die we in het lab hadden liggen. Wat we zagen was dit supercoole resultaat waarbij de gels opzwollen tot een aerogelschuim.”

Na dat eerste succes duurde het nog jaren om de formulering te optimaliseren. De gels zijn nu stabiel in opslag, gemakkelijk spuitbaar met standaardapparatuur en hechten goed op allerlei oppervlakken. Ze zijn bovendien gemaakt van niet-giftige bestanddelen en worden gemakkelijk afgebroken door bodemmicroben, dus veilig voor mens en milieu.