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Des chercheurs de Stanford ont créé un gel avancé qui protège les structures des incendies de forêt en formant une barrière d’aérogel durable lorsqu’elles sont exposées à la chaleur, offrant une défense durable même après l’évaporation de l’eau.
Alors que le changement climatique entraîne des conditions plus chaudes et plus sèches, les saisons des incendies s’allongent, les incendies de forêt devenant plus importants et plus fréquents. Ces dernières années, ces événements catastrophiques ont dévasté des communautés, détruit des maisons et des infrastructures, fait des victimes et fait des ravages sur les moyens de subsistance. Les feux de forêt ont également eu de graves répercussions sur les ressources en terres sauvages et l’économie. Pour lutter contre cette menace croissante, nous avons besoin de solutions novatrices pour lutter contre les incendies de forêt et protéger les zones vulnérables contre d’autres dommages.
Des chercheurs de Stanford ont mis au point un gel améliorant l’eau qui pourrait être pulvérisé sur les maisons et les infrastructures essentielles pour les empêcher de brûler pendant les incendies de forêt. La recherche, publiée le 21 août dans Advanced Materials, montre que les nouveaux gels durent plus longtemps et sont nettement plus efficaces que les gels commerciaux existants.
« Dans des conditions typiques d’incendie de forêt, les gels d’amélioration de l’eau actuels se tarissent en 45 minutes », a déclaré Eric Appel, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à l’École d’ingénierie, auteur principal de l’article. « Nous avons mis au point un gel qui aurait une fenêtre d’application plus large – vous pouvez le pulvériser plus avant l’incendie et bénéficier de la protection – et il fonctionnera mieux lorsque le feu arrivera.
Protection longue durée
Les gels améliorant l’eau sont fabriqués à partir de polymères super-absorbants, similaires à la poudre absorbante que l’on trouve dans les couches jetables. Mélangés à de l’eau et pulvérisés sur un bâtiment, ils gonflent en une substance gélatineuse qui s’accroche à l’extérieur de la structure, créant un bouclier épais et humide. Mais les conditions à proximité d’un feu de forêt sont extrêmement sèches – les températures peuvent être proches de 100 degrés, avec des vents violents et zéro pour cent d’humidité – et même l’eau emprisonnée dans un gel s’évapore assez rapidement.
Dans le gel conçu par Appel et ses collègues, l’eau n’est que la première couche de protection. En plus d’un polymère à base de cellulose, le gel contient des particules de silice, qui sont laissées derrière lorsque les gels sont soumis à la chaleur. « Nous avons découvert un phénomène unique où un hydrogel mou et spongieux se transforme en douceur en un bouclier d’aérogel robuste sous l’effet de la chaleur, offrant une protection renforcée et durable contre les incendies de forêt. Cette percée respectueuse de l’environnement surpasse les solutions commerciales actuelles, offrant une défense supérieure et évolutive contre les incendies de forêt », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Changxin « Lyla » Dong.
« Lorsque l’eau bout et que toute la cellulose brûle, il ne nous reste plus que les particules de silice assemblées en une mousse », a déclaré Appel. « Cette mousse est très isolante et finit par disperser toute la chaleur, protégeant complètement le substrat en dessous. »
La silice forme un aérogel – une structure solide et poreuse qui est un isolant particulièrement bon. Des aérogels de silice similaires sont utilisés dans les applications spatiales car ils sont extrêmement légers et peuvent empêcher la plupart des méthodes de transfert de chaleur.
Les chercheurs ont testé plusieurs formulations de leur nouveau gel en les appliquant sur des morceaux de contreplaqué et en les exposant à la flamme directe d’une torche à gaz, qui brûle à une température considérablement plus élevée qu’un feu de forêt. Leur formulation la plus efficace a duré plus de 7 minutes avant que la planche ne commence à carboniser. Lorsqu’ils ont testé de la même manière un gel améliorant l’eau disponible dans le commerce, il a protégé le contreplaqué pendant moins de 90 secondes.
« Les gels traditionnels ne fonctionnent pas une fois qu’ils sèchent », a déclaré Appel. « Nos matériaux forment cet aérogel de silice lorsqu’ils sont exposés au feu qui continue de protéger les substrats traités après l’évaporation de toute l’eau. Ces matériaux peuvent être facilement emportés une fois le feu parti.
Une découverte fortuite
Les nouveaux gels s’appuient sur le travail antérieur d’Appel en matière de prévention des incendies de forêt. En 2019, Appel et ses collègues ont utilisé ces mêmes gels comme véhicule pour maintenir des produits ignifuges de forêt sur la végétation pendant des mois. La formulation était destinée à aider à prévenir l’inflammation dans les zones sujettes aux incendies de forêt.
« Nous travaillons avec cette plateforme depuis des années maintenant », a déclaré M. Appel. « Ce nouveau développement était un peu fortuit – nous nous demandions comment ces gels se comporteraient par eux-mêmes, alors nous en avons simplement écrasé un peu sur un morceau de bois et l’avons exposé aux flammes d’une torche que nous avions traînée dans le laboratoire. Ce que nous avons observé, c’est ce résultat super cool où les gels se sont gonflés en une mousse d’aérogel.
Après ce succès initial, il a fallu plusieurs années d’ingénierie supplémentaire pour optimiser la formulation. Il est maintenant stable en stockage, facilement pulvérisable avec un équipement standard et adhère bien à toutes sortes de surfaces. Les gels sont fabriqués à partir de composants non toxiques dont l’utilisation a déjà été approuvée par le Service des forêts des États-Unis, et les chercheurs ont mené des études pour montrer qu’ils sont facilement décomposés par les microbes du sol.
« Ils sont sans danger pour les gens et l’environnement », a déclaré Appel. « Il faudra peut-être une optimisation supplémentaire, mais j’espère que nous pourrons faire une application et une évaluation à l’échelle pilote de ces gels afin de pouvoir les utiliser pour aider à protéger les infrastructures essentielles en cas d’incendie. »
