Sistemi antincendio a schiuma

Le schiume di classe A, sviluppate a metà degli anni '80 per combattere gli incendi boschivi, riducono la tensione superficiale dell'acqua e migliorano la capacità bagnante. D’altro canto non sono in grado di contenere i vapori esplosivi prodotti da liquidi infiammabili. Per ottenere questo risultato è necessario che i tensioattivi, che consentono alla schiuma di formarsi, creino un film protettivo sugli oggetti e sui liquidi sui cui è riversata (a scapito di una minor scorrevolezza e velocità di espansione).

Nei sistemi a bassa espansione il rapporto di espansione della bolla è minore (inferiore a 20 a 1) e la bolla contiene un elevato contenuto di acqua; in quelli a media e alta espansione, i rapporti sono maggiori (fino a 1000 a 1) e il contenuto di acqua si abbassa e le bolle sono relativamente più leggere. Le schiume a bassa espansione hanno una bassa velocità di espansione, bassa viscosità e possono coprire rapidamente aree estese; quelle ad alta espansione sono adatte per spazi chiusi, dove è necessario un riempimento rapido.

Ciò che caratterizza una schiuma è la sua resistenza al fuoco, ovvero la capacità di mantenere incorporata l’acqua in emulsione. Il suo peso specifico è un’altra variabile importante che contribuisce alla velocità di dispersione della coltre ed alla gittata utile a parità di erogatore.

Spandimento, ovvero a capacità di dilagare, e l’aderenza anche su piani inclinati, determinano come la schiuma è in grado di aggrapparsi, mentre l’elasticità e l’impermeabilità ai gas e vapori misurano la capacità della coltre di resistere all’azione disgregatrice prodotta dai moti convettivi dell’incendio.

Queste caratteristiche possono essere inficiate dall’inquinamento delle schiume con altre sostanze, pertanto la ricerca punta a sviluppare schiume sempre più compatibili con altri prodotti (idrocarburi coinvolti nell’incendio, altri estinguenti come le poveri) e, non ultimo, con l’ambiente.

La viscosità di una schiuma inoltre è un requisito fondamentale in quanto è direttamente proporzionale alla sua aspirabilità, specie a basse temperature.

Il contributo allo spegnimento delle fiamme è pagato, da parte della schiuma, “sgonfiandosi”; cosa che tende a fare comunque, naturalmente. La resistenza a questo processo è uno dei fattori che concorre alla capacità estinguente della schiuma ed è misurata da una variabile nota come tempo di drenaggio; tanto è più è basso, ovvero quanto prima l’aria si separa dalla soluzione che la intrappolava, tanto più la schiuma perde la sua caratteristica di soffocamento.

Gli schiumogeni proteinici e fluoroproteinici hanno avuto il loro maggior sviluppo e diffusione negli anni ’70-’80, soprattutto in ambito petrolifero per utilizzo sui grandi serbatoi di stoccaggio di liquidi infiammabili. In ambito civile, nelle sale macchine delle navi o hangar aeroportuali, si preferiscono tensioattivi sintetici o “fluorosintetici” - ma biodegradabili e non-tossici –che risultano essere molto efficienti; con meno dell’1% in concentrazione si ottengono schiume particolarmente efficaci, nonostante la schiuma prodotta sia molto “liquida” e fluida, e una grande resistenza alla riaccensione, grazie alla formazione di una pellicola acquosa o polimerica, che isola la superficie del carburante incendiato dall’ossigeno, ostacolando anche la formazione di vapori incendiabili.

Poiché la schiuma è composta di acqua, un tensioattivo e aria, racchiusa nelle bolle, se oltre allo schiumogeno, si aggiunge all’acqua, appunto, l’aria compressa si ottengono ulteriori vantaggi in termini di efficacia. In questo consistono infatti i sistemi Compressed Air Foam System o CAFS. Tal sistemi si basano sul controllo – garantito da sistemi elettronici di controllo delle pompe – della miscela. Le normative classificano i sistemi CAFS essenzialmente sulla base della portata d’aria del compressore, con un rapporto acqua/aria non inferiore a 1:3.

Il petrolio era nell'aria, nelle narici, negli occhi, nell'acqua del bagno – dappertutto, scriveva Abraham Valentine Williams Jackson nel 1911 a proposito di Baku, l’odierna capitale dell’Azerbaigian e allora, già da sessant’anni il centro dell'industria petrolifera russa e non solo; da li, infatti, arrivava un quinto del petrolio allora usato nel mondo. Con tutto quel petrolio non c’è da stupirsi che incendi fossero un problema di difficile soluzione ma già da poco meno di 10 anni prima della descrizione che ci da Jackson, di Baku, un cinquantacinquenne ingegnere diplomato al Politecnico di San Pietroburgo e che aveva poi studiato chimica a Parigi aveva sviluppato un approccio efficace per combatterli.

Nel 1904 Aleksandr Grigoryevich Loran, che a Baku faceva l’insegnante, sviluppò la schiuma estinguente e costruì il primo estintore basato su questo agente estinguente; il suo primo esperimento fu lo spegnimento, con successo, di una vasca di nafta, una miscela di idrocarburi. La schiuma di Loran era una miscela di bicarbonato di sodio e solfato di alluminio, con piccole quantità di saponina o di liquirizia aggiunte per stabilizzare le bolle, e ovviamente, acqua. Le sostanze reagendo sviluppavano una soluzione stabile di piccole bolle di anidride carbonica con una densità inferiore a quella dell'olio o dell'acqua. Più leggera del petrolio, questa schiuma scorreva liberamente sulla superficie del liquido soffocando il fuoco. Loran brevettò la sua invenzione e successivamente, fondò una società - Eurica - a San Pietroburgo, e iniziò a produrre e vendere i suoi estintori a schiuma.

All'inizio della seconda guerra mondiale, gli estintori a schiuma subirono un’innovazione radicale; la schiuma veniva prodotta spruzzando attraverso un ugello un concentrato a base di proteine liquide ​​di soia miscelate con acqua. L’inventore di questa soluzione, Percy Lavon Julian, era un valente chimico e pioniere nella sintesi chimica di farmaci da piante (il suo lavoro ha contribuito a espandere significativamente l'uso di diversi importanti farmaci e gli è valso oltre 130 brevetti) ma determinante per lo sviluppo della schiuma antincendio fu il fatto di essere un afroamericano nato e cresciuto nell’America segregazionista. Nel 1936 a Julian infatti fu negata una cattedra universitaria per motivi razziali e mentre cercava una collocazione accademica fu contattato da WJ O'Brien, vicepresidente di Glidden Company, un fornitore di prodotti derivati dalla soia. Julian aveva richiesto una campionatura di cinque galloni di olio da utilizzare come punto di partenza per la sintesi di ormoni sessuali steroidei umani,  O'Brien gli offrì la posizione di direttore della ricerca presso la Glidden's Soya Products Division di Chicago dove Julian ha progettato e supervisionato la costruzione del primo impianto al mondo per la produzione di proteine ​​di soia isolate di qualità industriale da farina di soia senza olio. Un campione della proteina di soia isolata da Julian fu spedito dalla Glidden alla National Foam System Inc., che lo usò per sviluppare Aer-O-Foam, la prima schiuma antincendio a base proteica.

Per la schiuma ad alta espansione si dovette attendere un altro decennio e un altro poliedrico personaggio: Herbert Eisner. Scrittore, autore televisivo e radiofonico, rampollo di una famiglia di imprenditori e intellettuali berlinesi con frequentazioni del calibro di Richard Strauss, Bertholt Brecht e Leni Riefenstahl, lasciò la Germania di Hitler, ancora ragazzo, in opposizione al regime nazista e a seguito delle persecuzioni razziali. Laureatosi in fisica, alla Nottingham University, Eisner entrò alla Safety in Mines Research Establishment di Buxton, nel Derbyshire, di cui divenne direttore. Nel suo Health and Safety Executive's flame and explosion laboratory, accumulò una notevole esperienza negli incendi e nelle esplosioni in spazi ristretti, che gli fu fondamentale nello sviluppo, nel 1956, della schiuma ad alta espansione. Infatti, negli Stati Uniti, Will B. Jamison, ingegnere minerario della Pennsylvania, partendo dai risultati di Eisner testò per due anni 400 diversi surfattanti, con la collaborazione del .S. Bureau of Mines, fino a trovare un composto adatto e brevettabile.

Durante la ricerca due importanti incendi minerari furono combattuti con notevole successo  con i sistemi che stava testando. Jamison dedicò ancora sei anni alla ricerca prima di cedere il brevetto, nel 1964 alla Walter Kidde & Company e assumere la guida dello sviluppo, all’interno della stessa compagnia, dei sistemi a schiuma ad alta espansione. Erano anni di notevoli sviluppi nell’ambito dei tensioattivi; mentre Jamison ed la Kidde proseguivano sulla loro strada , la National Foam, Inc. sviluppò la schiuma di fluoroproteina, un tensioattivo fluorurato che respinge l'olio e previene la contaminazione della schiuma (uno dei problemi cui sono soggetti gli estinguenti a schiuma) e dieci anni dopo presentò una schiuma sintetica sviluppata per materiali idrocarburi e  solventi polari (che  sono liquidi che estraggono l'acqua contenuta nella schiuma, rompendola). Un ingrediente fondamentale della schiuma è l’aria; si pensò quindi, ad un certo punto, di insufflarla all’interno dei fluidi per potenziare la generazione delle schiume. I primi studi di un sistema che impiegavano acqua, aria compressa e tesioattivi per produrre delle schiume risalgono agli anni ’30 del secolo scorso in ambito marittimo; La prima testimonianza è documentata in un articolo del 1938 sulla rivista britannica “The Fireman” relativa al “Pneumasuds” un’apparecchiatura antincendio prodotta dalla Merrywheather e installata a bordo della lussuosa nave passeggeri Patricia. Il sistema era dotato di un motore elettrico, una pompa a pistoni a doppio effetto per l’acqua, un compressore rotativo per l’aria, una piccola pompa per la schiuma, un apparecchio venturi e un serbatoio per la soluzione schiumogena. La tecnologia del CAFS ebbe ulteriori sviluppi durante la Seconda Guerra Mondiale sia in marina che in aereonautica. In Europa, negli anni ’40, erano ditte tedesche come la Fladerer e Magirus che esploravano la via dei sistemi a schiuma e la sconfitta del III reich provocò una interruzione degli studi mentre i progetti venivano requisiti dalle potenze vincitrici. Non fu solo questo il motivo che causò una fase di stallo nello sviluppo di sistemi CAFS nel secondo dopoguerra; solo l’avvento dell’elettronica consentì di superare i limiti dei sistemi di sincronizzazione e controllo fine delle caratteristiche della schiuma. Negli anni ’70 sistemi a CAFS furono installati su mezzi antincendio, specialmente negli Stati Uniti e specialmente in aree aride, in cui fare economia d’acqua era essenziale.

La capacità dei sistemi CAFS di generare schiume “secche” consente di operare anche su incendi difficili grazie alla capacità della schiuma di “aggrapparsi” anche a pendenze verticali e di resistere a lungo grazie al suo lento drenaggio. Schiume più dense si scoprirono essere migliori per la protezione mentre quelle molto fluide erano ideali nelle fasi di spegnimento.