Walka z ogniem przez wieki stanowiła jedno z największych wyzwań dla mieszkańców miast. Niewielkie pożary potrafiły strawić całe aglomeracje, a wraz z rozwojem przemysłu ryzyko wybuchów pożarów było jeszcze większe. Już od początku XIX wieku wielu konstruktorów i wynalazców podejmowało próby opracowania systemów, które pozwoliłyby na gaszenie pożarów zanim na miejsce dotarliby strażacy. Na przełomie XIX i XX wieku ich wysiłki doprowadziły do rozpowszechnienia się alarmów i automatycznych zraszaczy przeciwpożarowych, które znacząco przyczyniły się do wzrostu bezpieczeństwa przeciwpożarowego w miastach i zakładach przemysłowych.
Geneza
Przez stulecia ochrona przeciwpożarowa opierała się niemal wyłącznie na metodach pasywnych, takich jak budowanie murów ogniowych czy stosowanie materiałów niepalnych, co jednak okazywało się tragicznie niewystarczające w coraz gęstszej zabudowie miejskiej. Powoli rozwijające się formacje strażackie przez długi czas nie dysponowały odpowiednim sprzętem, pozwalającym na szybkie dotarcie w miejsce pożaru oraz na ugaszenie dużego ognia. Często najlepszym rozwiązaniem było po prostu wypalenie się budynku albo nawet całych kwartałów miast.
Sytuacja uległa pogorszeniu w XVIII wieku, oraz na początku XIX wieku, wraz z rewolucją przemysłową, która przetoczyła się przez Europę i Amerykę. Coraz większe zakłady przemysłowe, pełne pieców, maszyn, licznych urządzeń, często parowych oraz łatwopalnych półproduktów i produktów były szczególnie narażone na rozprzestrzenianie się ognia. Aby utrzymać tempo produkcji i zapewnić pracownikom akceptowalne warunki do wykonywania zadań, zakłady te oświetlano latarniami gazowymi, co pozwalało na wydłużenie czasu pracy. Tym samym tworzono dosłownie bomby, które czekały tylko na iskrę, która miała obrócić je w gruzy.
Kolejnym problemem była coraz gęstsza zabudowa miast, związana zarówno z migracją ludzi ze wsi do większych aglomeracji, oraz z gwałtownie rosnącym przyrostem naturalnym. Jeszcze na początku XIX wieku większość zabudowy największych miast była drewniana. Ciasna zabudowa sprzyjała szybkiemu rozprzestrzenianiu się ognia, który mógł być wywołany przez źle przechowywane zapałki, albo lampy naftowe lub świeczki. Drobne incydenty mogły doprowadzić do wielkich strat, czego najlepszym i niestety najtragiczniejszym przykładem był Wielki Pożar Chicago z 8 października 1871 roku, który pochłonął 300 ofiar i pozostawił 100 000 osób bez dachu nad głową, generując straty rzędu 222 milionów dolarów (współcześnie około 4 mld dolarów).
Skala strat była tak duża, że amerykańskie władze zostały zmuszone do wprowadzenia nowych, najpierw lokalnych, a później krajowych przepisów przeciwpożarowych, które wpłynęły na wszystkie dziedziny życia. Wprowadzono wymogi stosowania odpowiednich materiałów do budowy budynków, a także zreorganizowano oddziały straży pożarnej. W tle tych wydarzeń powoli rozwijało się kilka technologii, które miały ułatwić walkę z ogniem. Dzięki rozwojowi mechanizacji zaczęły powstawać automatyczne systemy gaśnicze w formie zraszaczy oraz najpierw prymitywne, a z czasem coraz dokładniejsze systemy alarmowe, które miały rozwiązać jeden z najistotniejszych problemów – szybkie odnalezienie przez strażaków miejsca pożaru.
Duży wpływ na rozwój system przeciwpożarowych miały… towarzystwa ubezpieczeniowe, głównie brytyjskie i amerykańskie, zabezpieczające coraz większe majątki właścicieli ziemskich, przedsiębiorców i biznesmenów. Ubezpieczyciele, stając w obliczu gigantycznych wypłat odszkodowań za spalone budynki, oraz w szczególności fabryki tekstylne w XIX wieku, zaczęli stosować politykę radykalnych zniżek (często sięgających 70-90%) dla właścicieli obiektów i zakładów, którzy zdecydowali się na instalację automatycznych systemów przeciwpożarowych. Finansowa korzyść z montażu m.in. zraszaczy stała się tak oczywista, że koszty inwestycji w te rozwiązania zwracały się przedsiębiorcom w ciągu zaledwie kilku lat, co uczyniło bezpieczeństwo pożarowe integralną częścią biznesplanu.
Chociaż początkowo stosowano niezliczoną ilość różnych rozwiązań, które zwykle nie były ze sobą kompatybilne, dzięki działaniom takich organizacji jak amerykańska National Fire Protection Association (NFPA), założona w 1896 roku, z czasem wprowadzono ujednolicone normy. Wyeliminowało to wszechobecny w XIX wieku chaos konstrukcyjny i pozwoliło na masową produkcję przetestowanych i sprawdzonych systemów. Co istotne, ubezpieczyciele nie tylko wymagali montażu systemów przeciwpożarowych, ale również finansowali badania nad ich skutecznością, co doprowadziło do wypracowania idealnej średnicy rur czy optymalnego rozmieszczenia głowic w systemach gaśniczych. W ten sposób bezpieczeństwo przestało być domeną dobrej woli właściciela, a stało się twardym wymogiem rynkowym, który zdefiniował standardy nowoczesnego budownictwa przemysłowego i komercyjnego.
Tryskacze przeciwpożarowe
Skromne początki
Paradoksalnie, najpierw zaczęły powstawać automatyczne systemy zwalczania ognia, a dopiero potem systemy powiadamiania służb o pojawieniu się ognia (oczywiście nie licząc dzwonów kościelnych i posłańców). Na początku XIX wieku strażacy korzystali z wozów konnych, które przewoziły specjalne pompy oraz zbiorniki na wodę. System ten był bardzo niewydolny. Zanim strażacy, dysponujący niewielką ilością wody docierali do miejsca pożaru, ogień zwykle był już na tyle duży, że ciężko go było ugasić. W związku z tym wielu konstruktorów i wynalazców zaczęło szukać sposobu na rozwiązanie tego problemu.
W pierwszej kolejności zaczęto budować specjalne zbiorniki na wodę w pobliżu obiektów szczególnie narażonych na pożary. Rozwiązanie to miało jednak swoje ograniczenia, zwłaszcza pod względem pojemności zbiorników jak i dostępu do nich. Na początku XIX wieku zaczęły pojawiać się pierwsze hydranty, które pozwalały strażakom na podpięcie się do powoli powstających miejskich sieci wodociągowych. Dalej jednak, strażacy musieli dotrzeć na miejsce pożaru swoimi wozami konnymi. Potrzebne był więc systemy pozwalające na rozpoczęcie walki z ogniem, gdy tylko ten się pojawił, zanim na miejsce dotarli strażacy.
W 1806 roku, brytyjski wynalazca John Carey opracował i zaprezentował pierwszy na świecie automatyczny system przeciwpożarowy (opatentowany 30 sierpnia 1806 roku). Był to system podłączonych do źródła wody rur, z niewielkimi otworami. W pomieszczeniach znajdowały się natomiast specjalne systemy ciężarków na sznurach. Gdy ogień przepalał sznur, ciężarki opadały otwierając zawory doprowadzające wodę do rur. Była to pierwsza w historii próba stworzenia automatycznego systemu przeciwpożarowego, który reagowałby bez bezpośredniego udziału człowieka. Niestety rozwiązanie to miało wiele wad: sznury często gniły w wilgotnym środowisku fabrycznym lub rwały się pod wpływem wibracji maszyn. Zdarzało się też, że szczury lub myszy przegryzały sznury. Wszystko to prowadziło do nagłych i niepotrzebnych zalań obiektów. Kolejnym problemem było to, że system był uruchamiany w całości, co samo w sobie prowadziło do zniszczeń w tych częściach budynków, których nie ogarnął ogień, ale tym razem od wody.
Kilka lat później, wynalazek Careya został dopracowany przez Williama Congreve’a. 30 października 1812 roku opatentował on własny system rur z zraszaczami. Były one podzielone na sekcje dla różnych części budynku i połączone z systemem zaworów oraz centralnym zbiornikiem na wodę. Po zauważeniu pożaru, należało odkręcić odpowiedni zawór, aby uruchomić tryskacze. Congreve zainstalował swój system w teatrze Royal Drury Lane w Londynie. Na dachu umieszczono natomiast olbrzymi zbiornik wody o pojemności około 95 000 litrów. System w teatrze Royal Drury Lane nigdy nie został wykorzystany w praktyce, ani nie zyskał większej popularności. Był jednak pierwowzorem późniejszych rozwiązań, które zyskały szerszą popularność.
Kolejnym punktem zwrotnym był system innego brytyjskiego inżyniera, Stewarta Harrisona, opatentowany 9 lipca 1864 roku. Opracował on system zraszaczy zabezpieczonych specjalnymi końcówkami, które pod wpływem ciepła miały się poluzować, a będąca pod ciśnieniem woda w instalacji miała je wypchnąć. Rozwiązanie to nie zyskało szerszej popularności, głównie z powodu kosztów instalacji oraz obaw przed przypadkowym uruchomieniem się tryskaczy.
Narodziny właściwego systemu
Prawdziwy przełom nastąpił jednak dzięki pracy Amerykanina, Henry’ego Parmelee, właściciela fabryki fortepianów w New Haven, który 7 lipca 1874 roku opatentował pierwszy praktyczny automatyczny zraszacz. Jego konstrukcja wykorzystywała mosiężną nasadkę przylutowaną do głowicy stopem łatwotopliwym, który puszczał pod wpływem gorąca. System Parmelee był podobny do rozwiązania Harrisona, ale był bardziej dopracowany mechanicznie. Do 1882 roku zainstalowano go w około 200 000 obiektów w Stanach Zjednoczonych. Od 1881 roku, za sprawą firmy Mather & Platt zaczęto go popularyzować w Europie.
Mimo sukcesu, system Parmelee miał dużą bezwładność cieplną – woda znajdująca się wewnątrz rury schładzała luty, co opóźniało reakcję. Ogólnie, system Parmelee był technicznie skuteczny, ale wciąż toporny i wymagał wysokiego ciśnienia, by odrzucić nasadkę po stopieniu spoiwa. Problemem ten (i kilka innych) postanowił rozwiązać inny przedsiębiorca, Frederick Grinnell, który zainstalował zraszacze Parmelee w swoich zakładach Providence Steam and Gas Pipe Company.
Grinnell opatentował 25 października 1881 roku zmodyfikowany projekt tryskaczy, wyposażonych w specjalną rozetę, która rozpraszała wodę. Dzięki temu miały one większy zasięg niż wcześniejsze rozwiązania. Była to duża i istotna zmiana, ale to patent z 31 października 1882 roku był najbardziej przełomowy. Grinnell opracował system uszczelek, które zwiększały szczelność całej instalacji. Eliminowało to problem przeciekania rur i tryskaczy, zwłaszcza gdy w instalacji było wyższe ciśnienie (potrzebne do efektywnej dystrybucji wody). Najważniejszy był jednak mechanizm zabezpieczający tryskacz, w którym zastosowano osłonę z stopu Wooda (bizmutu, ołowiu, cyny i kadmu), która topiła się w temperaturze około 68-72°C. Było to wystarczające przy typowych pożarach. Dzięki temu tryskacze uruchamiały się tylko wtedy, gdy musiały i tylko w miejscach gdzie występował pożar lub podwyższona z jego powodu temperatura. Widząc potencjał w swoim wynalazku, Grinnell założył firmę Grinnell Fire Protection Company, która zdominowała rynek, a sama nazwa „Grinnell” stała się w krajach anglosaskich synonimem zraszacza.
Dalej nie był to jednak system idealny. Zastosowany stop miał swoje określone właściwości, przez co zraszacze dalej nie uruchamiały się w odpowiednim momencie. W przypadku większych obiektów, kiedy temperatura wzrastała wolniej, niż rozprzestrzeniał się ogień, do uruchomienia systemu dochodziło, gdy ogień mógł już zająć zbyt duży obszar. Wykonane z stopu Wooda elementy cierpiały też na tzw. „pełzanie zimne” – pod stałym ciśnieniem wody w instalacji (często przekraczającym 10 barów) luty z czasem ulegały mikrodeformacjom, co prowadziło do samoczynnych, kosztownych uruchomień systemu bez obecności ognia. Rozwiązaniem tego problemu miało być wprowadzenie innych mechanizmów uruchamiania tryskaczy.
Wynalazcy eksperymentowali z kruchymi materiałami, które przy odpowiedniej temperaturze pękały. Wszystkie stosowane rozwiązania nie przynosiły jednak odpowiedniego rezultatu. Sytuacja uległa zmianie dopiero w latach 20. XX wieku za sprawą Jacka Tyree. 23 maja 1922 roku opatentował on specjalną szklaną ampułkę, która znajdowała się w tryskaczu. Była ona wypełniona cieczą, która pod wpływem temperatury rozszerzała się, wytwarzając ciśnienie, które rozrywało ampułkę. Ten niewielki mechanizm pozwalał na bardzo precyzyjne sterowanie momentem uruchomienia tryskacza. Ostatecznie wprowadzono kilka różnych ampułek z cieczą o różnym kolorze, co pozwalało na aktywację systemu w odpowiedniej sytuacji. Przykładowo pomarańczowa ciecz aktywuje się przy temperaturze 57°C, czerwona przy 68°C, żółta przy 79°C, zielona przy 93°C, niebieska przy 141°C a fioletowy przy 182°C. System ten z czasem stał się standardem w tryskaczach uruchamianych automatycznie. W kolejnych latach dopracowywano konstrukcje tryskaczy, ale w praktyce nie uległy one większym zmianom od lat 20. XX wieku.
Alarm przeciwpożarowy
Równolegle z rozwojem systemów tryskaczy, rozwijano system wykrywania ognia. Pierwsze systemy przeciwpożarowe wymagały zauważenia pożaru przez człowieka, który następnie uruchamiał tryskacze. W tym samym czasie ktoś musiał poinformować straż pożarną. W praktyce, oznaczało to, że ktoś musiał dostać się do remizy. Często wykorzystywano również dzwony kościelne do powiadomienia strażaków o pożarze. Były to rozwiązania bardzo nieefektywne. Zanim posłaniec dotarł do remizy i zanim strażacy dotarli na miejsce, mijało za dużo czasu. Dzwony kościelne nie informowały natomiast o miejscu pojawienia się ognia. O ile w ciągu dnia możliwe było zobaczenie dymu (co w praktyce oznaczało, że ogień już się rozprzestrzenił), tak w nocy dopóki płomienie nie ogarnęły budynku, nie było wiadomo gdzie się pali.
Rozwiązaniem tego problemu zajął się w 1852 roku lekarz William Channing oraz inżynier Moses Farmer. Postanowili oni wykorzystać telegraf i kod Morse’a. Opracowali specjalne skrzynki, w których znajdowała się korba, połączone z centralą. Po przekręceniu korby, do centrali trafiał zakodowany wcześniej sygnał. Operator w centrali na podstawie kodu określał w którym miejscu wywołano alarm, a następnie wysyłał w to miejsce strażaków. Dodatkowym elementem systemu były specjalne dzwonki w remizach strażackich, które uruchamiane były również elektrycznie z centrali i nadawały kod skrzynki alarmowej. Dzięki temu strażacy wiedzieli gdzie mają się udać. Wynalazcy przekonali władze Bostonu do wypróbowania tego rozwiązania w 1852 roku. Okazało się ono bardzo skuteczne i w krótkim czasie zaczęło zyskiwać popularność w różnych miastach w Stanach Zjednoczonych. Ostatecznie, 19 maja 1857 roku Channing i Farmer opatentowali swój system alarmowy.
Sam system był bardzo ciekawy, ale miał też wady. Skrzynki narażone były na wandalizm, a jeśli w jednym momencie uruchomiono więcej niż jedną, to ich sygnały mieszały się w centrali. W 1859 roku John Nelson Gamewell, urzędnik pocztowy z Karoliny Południowej postanowił dopracować patent Channinga i Farmera. Opracował on bardziej odporny na warunki pogodowe mechanizm oraz skrzynki alarmowe. Dodatkowo wyeliminował problem mieszania się sygnałów. Dodatkowo, w skrzynkach dodano dzwonki, które uruchamiały się wraz z wysłaniem sygnału. Dzięki temu osoby postronne również dowiadywały się o pożarze. Eliminowało to też częściowo problem fałszywych alarmów. Do końca XIX wieku system Gamewella miał 95% udział w rynku systemów alarmowych w USA. Dopiero po II wojnie światowej wyparły go rozwiązania telefoniczne, a później radiowe i sieciowe. Korby zostały zastąpione przez przełączniki i charakterystyczne skrzyneczki z szklanymi okienkami, młoteczkiem i napisem „Zbij w razie pożaru”. Mechanizm ich działania był jednak w gruncie rzeczy taki sam.
Wykrywanie dymu i ognia
O ile rozwiązano problem informowania straży pożarnej o pożarze, pozostał jeszcze problem wykrywania dymu i ognia automatycznie, bez udziału człowieka. Przełomem w tej dziedzinie było urządzenie wykorzystujące paski bimetaliczne lub magnesy, które pod wpływem ciepła zamykały obwód elektryczny, uruchamiając dzwonek. Opatentowali je 3 czerwca 1890 roku Francis Upton i Joseph Dyer (współpracownicy Thomasa Edisona). Brytyjski inżynier George Darby opracował w 1902 roku podobny system, ale przeznaczony do zainstalowania w domach. Oba rozwiązania miały jednak wadę – reagowały tylko na wysoką temperaturę, a nie na dym (czad), który często pojawia się na długo przed wzrostem temperatury, a sam w sobie jest bardzo niebezpieczny i zabójczy.
Przełomu dokonał szwajcarski fizyk Walter Jaeger w latach 30. XX wieku. Jaeger próbował skonstruować czujkę wykrywającą gazy kopalniane, jednak urządzenie nie reagowało na nie zgodnie z oczekiwaniami. Podobno frustracja naukowca doprowadziła go do zapalenia papierosa w laboratorium; ku jego zdziwieniu, dym tytoniowy uruchomił jego urządzenie. Czujka Jeagera składała się z niewielkiego pojemniczka z materiałem promieniotwórczym, który jonizował cząsteczki powietrza. Cząsteczki dymu zmniejszały jonizację, co prowadziło do uruchomienia alarmu. Urządzenie miało jednak jedną, bardzo istotną wadę, która uniemożliwiła jego wprowadzenie do powszechnego użytku – różnica w jonizacji była tak mikroskopijna, że żadne komercyjnie dostępne czujniki nie były w stanie jej zauważyć. A instalowanie aparatury laboratoryjnej w czujnikach dymu mijało się z celem.
Dopiero kilka lat później, w 1939 roku wynalazek Jeagera został dopracowany przez innego szwajcarskiego fizyka, Ernesta Meili. Wprowadził on do czujki tyratron (specjalistyczną lampę gazowaną), która pełniła funkcję czułego przełącznika elektronicznego. Dzięki temu zmiana jonizacji w czujce była łatwiejsza do wykrycia. Z powodu trwającej wojny, czujki dymu zaczęły się rozpowszechniać dopiero po wojnie i to wiele lat po niej. W 1965 roku za sprawą Duane’a D. Pearsalla i Stanleya Petersona powstały czujki domowe, zasilane bateryjnie. Nowe czujki był tanie i łatwiejsze w dystrybucji. Kolejnym punktem zwrotnym w rozwoju czujek dymu i ognia było powstanie czujki optycznej, stworzonej przez Donalda Steele i Roberta Emmarka w 1972 roku. Opracowali oni czujkę wyposażoną w diodę i fotokomórkę. Gdy dostawał się do niej dym, światło diody odbijało się od niego i było wykrywane przez fotokomórkę, która uruchamiała alarm. Czujki tego typu były bezpieczniejsze od wcześniejszych, ponieważ nie zawierały materiału promieniotwórczego. Dodatkowo reagowały na dym szybciej niż czujki jonizacyjne. Obecnie stosuje się również rozwiązania oparte na laserach i czujnikach badających skład dymu, dzięki czemu zwiększono precyzję ich reakcji.
Podsumowanie
Powstanie systemów zraszaczy przeciwpożarowych, alarmów oraz czujek ognia i dymu sprawiło, że walka z pożarami całkowicie się zmieniła. Dodatkowo pojawienie się na początku XX wieku samochodów strażackich, które zastąpiły wozy konne, wydajniejszych pomp i rozbudowanych sieci hydrantów, a także przyłączy dla wężów strażackich w budynkach sprawiło, że ogień zaczęto traktować jako coś, co się zwalcza jak najszybciej, a nie ogranicza, jak miało to miejsce jeszcze pod koniec XIX wieku.
Paradoksalnie, wszystkie systemy przeciwpożarowe, które dzisiaj są standardem, wywodzą się bezpośrednio z rozwiązań opracowanych na przełomie XIX i XX wieku. Mimo zmian jakie przeszły i dopracowania na przestrzeni lat, idea ich działania nie uległa większym zmianom.
Źródło zdjęć: Depositphotos.com
