Driedimensionale brandparameters voor veiligere en schonere voorgeschreven bosbranden

Voorgeschreven branden: een innovatieve aanpak om de impact op de gezondheid te verminderen

Voorgeschreven branden, ook wel “nuttige branden” genoemd, bestrijden letterlijk vuur met vuur. Ze zijn gericht op gebieden die risico lopen op bosbranden en verwijderen materiaal dat anders een toekomstige brand zou kunnen aanwakkeren.

Echter, alle branden, of ze nu per ongeluk of gepland zijn, produceren rook die gezondheids- en ademhalingsproblemen kan veroorzaken, vooral in nabijgelegen gemeenschappen. Brandende vuren stoten schadelijke chemicaliën uit, zoals polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK), die kankerverwekkend zijn. PAK kunnen kanker, longaandoeningen en een verzwakt immuunsysteem veroorzaken bij mensen die rook inademen.

Recentelijk heeft een studie, gepubliceerd in Atmospheric Pollution Research, aangetoond dat wetenschappers van Stanford University manieren hebben ontdekt om voorgeschreven branden uit te voeren met drastisch verminderde gezondheidsrisico’s. Ze hebben vastgesteld dat het eenvoudig aanpassen van enkele brandomstandigheden de PAK-emissies met maar liefst 77% kan verminderen. De onderzoekers schatten dat dit de kankerrisico’s door rookblootstelling met meer dan 50% kan verlagen.

“Er is duidelijk potentieel om de procedures voor voorgeschreven branden te verbeteren, zodat de impact op de gezondheid vermindert,” zei Karl Töpperwien, hoofdauteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker aan de Faculteit Werktuigbouwkunde. “We kunnen in wezen twee vliegen in één klap slaan: ecosystemen beschermen terwijl we tegelijkertijd gemeenschappen beschermen die anders in gevaar zouden zijn.”

Een teaminspanning voor betere resultaten

Om deze nieuwe methode te realiseren, heeft Töpperwien’s team een multidisciplinaire benadering gekozen, in samenwerking met medische onderzoekers van de Harvard T.H. Chan School of Public Health, fysici van het SLAC National Accelerator Laboratory en chemisch onderzoekers van Aerodyne Research Inc.

De medische onderzoekers hebben de meest giftige verontreinigende stoffen uit bosbranden geïdentificeerd, met het oog op de mogelijke schade aan mensen. Veel PAK worden door de Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) als kankerverwekkende verontreinigende stoffen beschouwd en kunnen langdurige gezondheidsproblemen veroorzaken.

“We richtten ons op deze stoffen omdat blootstelling aan deze verontreinigingen kanker, ontstekingen en andere ziekten kan veroorzaken,” zei Töpperwien.

Een volgende uitdaging was het nauwkeurig meten van deze verontreinigingen, waarbij de chemici hun expertise inbrachten.

“Ze zijn uitstekende experimenteerders die echt de grens van het meten van chemische stoffen op hoge selectiviteit en precisie hebben verlegd,” aldus Matthias Ihme, senior auteur van de studie en hoogleraar werktuigbouwkunde.

Töpperwien en Ihme’s team bundelden hun inspanningen door het opbouwen van de experimentele opstelling die deze metingen mogelijk maakte en door expertise te bieden over de fundamenten van vuurgedrag. Ze bouwden een laboratoriumverbrandingskamer waarin ze monsters van Oostelijke witte den brandden, een van de meest voorkomende bomen in het oosten van de VS met de hoogste PAK-emissies onder de bestudeerde loof- en naaldhoutsoorten.

Fires finetunen voor een schoner milieu

Door de vochtigheid, hitte en zuurstofniveaus van de branden aan te passen, voerden de onderzoekers gecontroleerde brandexperimenten uit in hun laboratorium. Ze gebruikten hoge-resolutie atmosferische en aerosol-massaspectrometers om gasvormige PAK-emissies en deeltjesfase-aerosolen in realtime te meten.

Hun experimenten toonden aan dat het nauwkeurig afstellen van drie voorwaarden de PAK-emissies met tot 77% kan verminderen. De eerste voorwaarde betreft het vochtgehalte van de brandstof. Ze ontdekten dat het hout een vochtgehalte van 20-30% moet hebben; te droog hout brandt te snel en produceert meer rook, terwijl te nat hout smeult en hoge niveaus van PAK uitstoot. Ten tweede moet de hitte-intensiteit van het vuur tussen 60 en 70 kW/m2 liggen. Verschillende niveaus van hittebelasting bevorderen verschillende chemische reacties, die uiteindelijk PAK vormen: de juiste hitte vinden betekent de “sweet spot” bepalen waar de minste PAK wordt gevormd.

Tot slot moeten de branden plaatsvinden met zuurstofniveaus van 5-15%. Te weinig zuurstof kan leiden tot inefficiënte verbranding, wat te veel rook produceert, terwijl te veel zuurstof de brand ongecontroleerd kan maken. Deze drie parameters kunnen voorgeschreven branden effectiever en schoner maken voor het milieu en voor gemeenschappen die in brandgevoelige gebieden wonen.

De toekomst van voorgeschreven branden

De vraag is nu of deze laboratoriumbranden kunnen worden nagebootst in echte voorgeschreven branden. De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat dit zeer goed mogelijk is en wijzen erop dat veel technieken om deze voorwaarden te beheersen al worden gebruikt in veldtesten.

“Er zullen enkele beperkingen zijn bij het opschalen hiervan, maar ik zie duidelijk een pad om deze techniek levensvatbaarder te maken voor een breder scala aan omgevingsomstandigheden,” zei Ihme, die ook een hoofonderzoeker is bij het Stanford PULSE Institute aan SLAC.

In feite merkt Töpperwien op dat bosbeheerders en brandteams vaak het hout voorbereiden met pre-burn behandelingen zoals hakken, drogen en meten van het vochtgehalte om de verbrandingsefficiëntie te verhogen. Het vochtgehalte is misschien wel de eenvoudigste parameter om te beheersen. Het zuurstofniveau en de brandintensiteit worden beïnvloed door de grootte van het hout dat wordt verbrand en de opstelling van de brandstapel, maar verder onderzoek is nodig om te begrijpen hoe deze parameters nauwkeurig te beïnvloeden in een echte brand.

Voor het team omvatten de volgende stappen het repliceren van de laboratoriumbranden in een veldexperiment en het observeren hoe hun bevindingen zich vertalen naar echte voorgeschreven branden. De onderzoekers zullen dit werk ook uitbreiden door verschillende houtsoorten te testen en de beste balans te vinden tussen schonere branden, brandstofverbruik en de kosten van het toepassen van deze methoden.

“Vuur is complexer dan we denken,” zei Ihme. “Het gaat niet alleen om het vinden van waar de vlam is, maar ook over hoe de rook wordt getransporteerd, hoe het de gezondheid op lange termijn beïnvloedt en hoe het wordt afgegeven aan het milieu wanneer het zich van de lucht naar de bodem nestelt.”