Черные воды: найден способ быстрее тушить лесные пожары
Углеродные наночастицы, добавленные в воду, заставляют ее испаряться в разы быстрее. Ученые предлагают использовать такую наножидкость для тушения лесных пожаров. Стоимость противопожарных работ при этом возрастет, но всё окупится, уверены авторы исследования. Если быстро потушить огонь в лесу, он не перекинется на населенные пункты, а это миллионы рублей экономии и главное — спасенные человеческие жизни.
Способность к испарению
При соприкосновении с огнем вода нагревается до 100 градусов по Цельсию, после чего испаряется, тем самым забирая тепло у горящего предмета. Когда температура горящего вещества опускается ниже температуры его воспламенения, пожар прекращается. То есть основной вклад в тушение вносит не нагрев воды, а ее испарение. А значит, чтобы быстрее справиться с огнем, необходимо как можно скорее перейти к стадии испарения жидкости.
Ученые из Сибирского федерального университета (входит в Проект 5-100), выяснили, что, если добавить в воду углеродные наночастицы, скорость ее нагрева повышается. Наночастицы обладают меньшей теплоемкостью и большей теплопроводностью, чем вода. Из-за более низкой теплоемкости наножидкость быстрее нагревается до температуры испарения, а ее высокая теплопроводность обеспечивает быстрое распределение тепла по капле.
Частицы в черном
Для тушения пожаров были выбраны именно углеродные наночастицы. Они черного цвета, то есть вбирают больше тепла и, соответственно, быстрее нагревают воду.
–– Наилучший результат дало использование углеродистых частиц размером 50–500 микрометров, –– рассказал младший научный сотрудник научно-исследовательской части Сибирского федерального университета Александр Лобасов. –– При этом времени на прогрев и полное испарение капель потребовалось примерно в два раза меньше по сравнению с простой водой. Однако технологически создать облако капель, каждая из которых содержит крупную микрочастицу, проблематично. Поэтому целесообразно использовать наночастицы размерами от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.
Оптимальная концентрация таких частиц в воде составляет 0,1–1%. Благодаря малому размеру углеродные наночастицы равномерно распределяются в жидкости, длительное время не выпадают в осадок и не вызывают ее расслоение.
Для создания наножидкостей необходимо закупать наночастицы, которые стоят порядка 20–30 тыс. рублей за килограмм, говорит Александр Лобасов. Для тушения лесных пожаров используют авиацию, вместительность баков чаще всего применяемого для этой цели самолета Бе-200ЧС –– 12 т воды. Но если вода может быть и бесплатной, то такой же объем наножидкости с концентрацией частиц 0,1% будет стоить порядка 240–360 тыс. рублей. Использовать более высокие концентрации экономически нецелесообразно, потому что при существенном увеличении стоимости соответственного прироста в скорости испарения не будет.
Однако если время тушения снизится, то и стоимость использования самолетов-танкеров уменьшится. Более того, если быстро справиться с лесным пожаром, он не перекинется на населенные пункты, а это еще миллионы рублей экономии, не говоря о спасенных человеческих жизнях.
Гидрофобные проблемы
Однако существует ряд особенностей применения системы из углеродных частиц и воды для тушения пожаров, которые могут привести к негативным эффектам, считает доцент кафедры физической химии СПбГЭТУ ЛЭТИ Вячеслав Альмяшев.
–– Так как углеродные наночастицы гидрофобны (то есть стараются избежать контакта с водой. –– «Известия»), то для создания наножидкостей на водной основе необходимо обеспечить гидрофильность их поверхности, — утверждает эксперт. — Это, скорее всего, увеличит стоимость продукта, а гидрофильное покрытие может негативно сказаться на свойствах системы.
Остается также вопрос, как поведут себя сами наночастицы после испарения воды. Углерод –– горючий материал, поэтому образующееся облако аэрозоля на основе углеродных наночастиц может воспламениться. Исправить эти недостатки возможно, применив в качестве добавки негорючие гидрофильные наночастицы, имеющие высокий коэффициент поглощения ИК-излучения, считает эксперт.
