Un gel revolucionario puede salvar hogares de incendios devastadores

Los investigadores de Stanford han creado un gel avanzado que protege las estructuras de los incendios forestales formando una barrera de aerogel duradera cuando se exponen al calor, proporcionando una defensa a largo plazo incluso después de que el agua se evapora.

A medida que el cambio climático genera condiciones más cálidas y secas, las temporadas de incendios se prolongan y los incendios forestales se vuelven más grandes y frecuentes. En los últimos años, estos acontecimientos catastróficos han devastado comunidades, destruido viviendas e infraestructura, cobrado vidas y causado estragos en los medios de vida. Los incendios forestales también han tenido un fuerte impacto en los recursos naturales y la economía. Para combatir esta creciente amenaza, necesitamos soluciones innovadoras para combatir los incendios forestales y proteger las áreas vulnerables de daños mayores.

Investigadores de Stanford han desarrollado un gel potenciador del agua que se puede rociar sobre hogares e infraestructuras críticas para ayudar a evitar que se quemen durante los incendios forestales. La investigación, publicada el 21 de agosto en Materiales avanzadosmuestra que los nuevos geles duran más y son significativamente más efectivos que los geles comerciales existentes.

«En condiciones típicas de incendios forestales, los geles actuales que mejoran el agua se secan en 45 minutos», dijo Eric Appel, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería, autor principal del artículo. “Hemos desarrollado un gel que tiene una ventana de aplicación más amplia (puedes rociarlo más antes del incendio y seguir obteniendo el beneficio de protección) y funciona mejor cuando llega el incendio.

Protección a largo plazo

Los geles potenciadores del agua están hechos de polímeros superabsorbentes, similares al polvo absorbente que se encuentra en los pañales desechables. Mezclados con agua y rociados sobre un edificio, se hinchan hasta formar una sustancia gelatinosa que se adhiere al exterior de la estructura, creando un escudo espeso y húmedo. Pero las condiciones en las proximidades de un incendio forestal son extremadamente secas (las temperaturas pueden rondar los 100 grados, con fuertes vientos y cero por ciento de humedad) e incluso el agua encerrada en un gel se evapora con bastante rapidez.

En el gel diseñado por Appel y sus colegas, el agua es sólo la primera capa de protección. Además de un polímero a base de celulosa, el gel contiene partículas de sílice, que quedan cuando los geles se someten al calor. “Descubrimos un fenómeno único en el que un hidrogel suave y blando se transforma perfectamente en un robusto escudo de aerogel bajo calor, ofreciendo una protección mejorada y duradera contra incendios forestales. Este avance ambientalmente consciente supera las soluciones comerciales actuales y ofrece una defensa superior y escalable contra los incendios forestales», afirmó el autor principal del estudio, Changxin «Lyla» Dong.

«Cuando el agua hierve y toda la celulosa se quema, nos quedan partículas de sílice reunidas en una espuma», dijo Appel. «Esa espuma es muy aislante y acaba disipando todo el calor, protegiendo completamente el sustrato que hay debajo».

La sílice forma un aerogel, una estructura sólida y porosa que es un aislante especialmente bueno. Se utilizan aerogeles de sílice similares en aplicaciones espaciales porque son extremadamente livianos y pueden evitar la mayoría de los métodos de transferencia de calor.

Los investigadores probaron varias formulaciones de su nuevo gel aplicándolas a piezas de madera contrachapada y exponiéndolas a la llama directa de un soplete manual de gas, que arde a una temperatura considerablemente superior a la de un incendio forestal. Su formulación más efectiva duró más de 7 minutos antes de que la tabla comenzara a mojarse. Cuando probaron de la misma manera un gel impermeabilizante disponible comercialmente, protegió la madera contrachapada durante menos de 90 segundos.

«Los geles tradicionales no funcionan una vez que se secan», dijo Appel. “Nuestros materiales forman este aerogel de sílice cuando se exponen al fuego, que continúa protegiendo los sustratos tratados después de que toda el agua se haya evaporado. Estos materiales se pueden lavar fácilmente una vez que se apaga el fuego».

Un descubrimiento fortuito

Los nuevos geles se basan en el trabajo anterior de Appel en prevención de incendios forestales. En 2019, Appel y sus colegas utilizaron estos mismos geles como vehículo para mantener retardantes de incendios forestales en la vegetación durante meses. La formulación estaba destinada a ayudar a prevenir la ignición en áreas propensas a incendios forestales.

«Llevamos años trabajando con esta plataforma», afirmó Appel. «Este nuevo desarrollo fue un tanto fortuito: nos preguntábamos cómo se comportarían estos geles por sí solos, así que simplemente cortamos un poco en un trozo de madera y lo expusimos a las llamas de una antorcha que teníamos tirada en el laboratorio. Lo que observamos fue este resultado genial donde las jaleas se hinchan hasta formar una espuma de aerogel”.

Después de ese éxito inicial, fueron necesarios varios años de ingeniería adicional para optimizar la formulación. Ahora es estable durante el almacenamiento, se rocía fácilmente con equipo estándar y se adhiere bien a todo tipo de superficies. Los geles están hechos de componentes no tóxicos cuyo uso ya ha sido aprobado por el Servicio Forestal de EE. UU., y los investigadores han realizado estudios para demostrar que los microbios del suelo los descomponen fácilmente.

«Son seguros tanto para las personas como para el medio ambiente», afirmó Appel. «Es posible que sea necesario realizar una optimización adicional, pero mi esperanza es que podamos realizar una aplicación y evaluación a escala piloto de estos geles para que podamos usarlos para ayudar a proteger la infraestructura crítica cuando se produce un incendio».

Referencia: «Geles que suspenden agua y exhiben formación de aerogeles de sílice activados por calor para la protección de infraestructuras críticas durante incendios forestales catastróficos» por Changxin Dong, Andrea I. d’Aquino, Samya Sen, Ian A. Hall, Anthony C. Yu, Gabriel B . Crane, Jesse D. Acosta y Eric A. Appel, 21 de agosto de 2024, Materiales avanzados.
DOI: 10.1002/adma.202407375

Este trabajo fue financiado por la Fundación Gordon & Betty Moore, Schmidt Science Fellows y la Fundación Nacional de Ciencias.