Immer häufiger legen verheerende Waldbrände auch Wohngebiete in Schutt und Asche. Um zivile Strukturen gegen Flammen immun zu machen, haben Forschende nun ein spezielles Brandschutz-Hydrogel entwickelt, das auf gefährdete Gebäude gesprüht werden könnte. Das zunächst wasserhaltige Material verwandelt sich bei Hitze oder durch Austrocknung in ein Aerogel, das durch seine Strukturen aus Silizium die darunterliegende Substanz effektiv vor der Entzündung bewahren kann. Das harmlose Schutzmaterial kann anschließen unproblematisch abgewaschen werden, sagen die Entwickler.
Das Inferno breitet sich immer weiter aus und erreicht schließlich auch menschliche Siedlungsbereiche: In den Nachrichten werden wir immer wieder mit den verheerenden Folgen von Waldbränden konfrontiert. Studien zufolge wird die Lage auch immer brenzlicher: Durch Veränderung der natürlichen Waldökosysteme und die häufigeren Dürren im Zuge des Klimawandels nimmt die Waldbrandgefahr in einigen Teilen der Welt deutlich zu. Neben der Natur ist davon auch der Mensch betroffen: In den letzten Jahren haben Waldbrände enorme Schäden an Häusern und Infrastrukturen verursacht. Deshalb widmen sich derzeit einige Forschungsteams der Entwicklung von neuen Strategien, um dem Bedrohungspotenzial der Waldbrände entgegenzutreten. Dieses Thema stand auch im Zentrum der August-Ausgabe von bild der wissenschaft.
Brandschutzeffekt trotz Austrocknung
Im Fokus der Forschenden um Changxin Dong von der Stanford University stand nun die Entwicklung von Verfahren zum Schutz von Gebäuden und Infrastrukturen vor herannahenden Waldbränden. Das Ziel ist dabei, Haus und Co. durch die Behandlung mit speziellen Substanzen vor dem Feuerfangen oder Hitzeschäden zu schützen. Dazu sind bereits wasserhaltige Gel-Substanzen im Einsatz, die auf Oberflächen gesprüht werden können. Diese sogenannten Hydrogele werden aus superabsorbierenden Polymeren hergestellt. Mit Wasser vermischt und auf ein Gebäude gesprüht, quellen sie zu einer gallertartigen Substanz auf, die an den Oberflächen haftet und eine feuchte Schutzschicht bildet. Doch das Konzept hat bisher einen erheblichen Nachteil: Hydrogele trocknen bei der Hitze und dem oft starken Luftstrom im Zuge von Bränden schnell aus und verlieren ihre Wirkung. „Unter den typischen Bedingungen eines Waldbrandes trocknen die derzeitigen Hydrogele innerhalb von 45 Minuten aus“, sagt Seniorautor Eric Appel von der Stanford University.
Deshalb haben die Forschenden das Konzept nun in eine Version mit nachhaltiger Wirksamkeit verwandelt. Ihre Idee war dabei: Bei Austrocknung sollte sich das Hydrogel in ein sogenanntes Aerogel verwandeln, das eine stabile Brandschutz-Wirkung entfalten kann. Als Ausgangsmaterial nutzen sie bei der Entwicklung erneut ein wasserhaltiges Hydrogel auf Polymerbasis. Der Mischung setzten sie dann allerdings eine entscheidende Komponente hinzu: Partikel aus Silizium. Die gallertartige Mischung kann dann wie bei den bisherigen Versionen auf Oberflächen gesprüht werden und sich festsetzen. Das enthaltene Wasser kann anschließend auch wie bisher seine Schutzfunktion gegenüber Feuer ausüben. Doch nachdem es verdampft ist, wird das System nicht wirkungslos: Die enthaltenen Silizium-Partikel bilden im Zuge der Austrocknung ein Aerogel. „Dieses Material wirkt hoch isolierend und streut Hitze, sodass das darunter liegende Substrat geschützt wird“, erklärt Appel. „Wir haben somit ein Gel entwickelt, das ein breiteres Anwendungsfenster als bisher hat – man kann es früher bei Brandgefahr versprühen und trotzdem den Schutz erhalten“, so der Forscher.
Effizienter Hitzeschutz
Wie gut das neue Material vor Feuer und Hitzebelastung schützen kann, dokumentierten die Forschenden durch Versuche, bei denen sie das Gel auf Holz auftrugen und es der besonders heißen Flamme eines Gas-Handbrenners aussetzten. Die wirksamste Formulierung konnte das darunterliegende Holz dabei mehr als sieben Minuten lang vor dem Verkohlen schützen. Ein herkömmliches Hydrogel hielt dagegen nur 90 Sekunden lang stand. „Das neue Hydrogel verwandelt sich bei der Hitzeeinwirkung in ein robustes Aerogel-Schutzschild, das einen verbesserten und langanhaltenden Schutz vor Bränden bieten kann. Dieser Durchbruch übertrifft die derzeitigen Konzepte und könnte einen überlegenen und skalierbaren Schutz vor Waldbränden bieten“, resümiert Dong.
Den Forschenden gelang es auch bereits, die Formulierung der Substanz durch weitere Komponenten für den Einsatz im Brandschutz zu optimieren: Sie ist nun lagerbar, lässt sich mit Standardgeräten leicht versprühen und haftet gut auf allen Arten von Oberflächen. Auch die Entsorgung der Schutzschicht nach der Brandgefahr ist unproblematisch, sagen die Entwickler: Die Aerogel-Schichten lassen sich demnach einfach abwaschen und alle enthaltenen Komponenten sind unbedenklich. „Sie sind sowohl für den Menschen als auch für die Umwelt sicher“, betont Appel. „Möglicherweise sind noch weitere Optimierungen erforderlich, aber ich hoffe, dass wir diese Gele bald im Pilotmaßstab anwenden und bewerten können, damit wir sie zum Schutz kritischer Infrastrukturen bei Bränden einsetzen können“, so der Wissenschaftler.
Quelle: Stanford University – School of Engineering, Fachartikel: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202407375
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