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Aerogel

COPYRIGHT TEXT & BILDER: Michael Bockhorst

Nanoporöses Material mit hochgradig isolierenden Eigenschaften.

Herstellung

Die ersten Aerogele wurden in einem von Kistler entwickelten Verfahren aus Silikagel erzeugt, welches hyperkritisch getrocknet wurde. Das Silikagel besteht aus dem Gelgerüst, dem Siliziumdioxid und der Flüssigkeit, die sich zwischen den "Stegen" des Gelgerüstes befindet. Die Hyperkritische Trocknung verlangt exotische Bedingungen wie hohe Temperaturen und hohe Drücke -- sie ist aber der einzige Weg, der das Schrumpfen des Gels während seiner Trocknung vermeidet. Gele schrumpfen normalerweise, weil während der Trocknung die Kapillarkräfte der in den feinen Kanälen befindlichen Flüssigkeit dazu führen, dass die feinen Strukturen brechen und der Gelkörper damit kleiner und kompakter wird.
Der Name Aerogel stammt daher von einem Gel, dessen Flüssigkeit durch Luft ersetzt wurde.

Eigenschaften

Die hochporöse Struktur verleiht dem Aerogelen gute Isolationseigenschaften, weil die Wärmeleitung durch die feinen Materialstege und den hohen Luftanteil dramatisch reduziert wird. Werden die Luftmoleküle im Aerogel-Körper durch ein Vakuum ersetzt, steigt die Isolationswirkung noch einmal dramatisch an. Damit werden zwei Mechanismen der

Die Nanoporosität bedeutet, daß die Porengröße im Bereich einiger 10-100 Nanometer liegt -- die Porengrößenverteilung (engl: pore size distribution) kann dabei durch den Herstellungsprozeß weitgehend beeinflußt werden.
Die Lichtwellenlänge liegt jedoch im Bereich von ca. 400-800 Nanometer und ist damit, besonders bei feinporigen Aerogelen, so groß, daß sie Licht praktisch nicht mehr beeinflussen. Dünne Aerogelplatten von etwa 2 Zentimeter Dicke sind daher fast so durchsichtig wie ein 5 Millimeter starkes Fensterglas.
Das kurzwellige Licht bei 400 Nanometer (wird als Blau wahrgenommen) wird allerdings etwas stärker durch die Poren gestreut, wodurch der Blick von Aerogele bei einer Dicke von z.B. 10 Zentimetern ein weißes Objekt gelb erscheinen läßt. Seitlich einfallendes Licht läßt hingegen das Aerogel bläulich schimmern.

Als transparente und gleichzeitig hochisolierende sind Aerogele ein interessantes Material für hochisolierende Fenster.

Anwendungen als energiekonservierendes Baumaterial

Aerogele könnten für alle Bauteile eines Hauses als Isolationsmaterial eingesetzt werden. Allerdings sind die Herstellungskosten so hoch, daß auf absehbare Zeit nur der "edle" Zweck der Glasscheiben-Isolation in Frage kommt. Ein solches Aerogel-isoliertes Fenster bestünde aus 2 Scheiben, deren Zwischenraum mit Aerogel komplett ausgefüllt ist. Der Zwischenraum wird dann evakuiert. Der U-Wert einer solchen 2-fach-Verglasung läge bei ca. 0.5 und ist damit um den Faktor 2.5 besser als heutige 2-fach-Verglasungen und um den Faktor 1.2 besser als beste derzeit verfügbare 3-fach-Verglasungen. Der Unterschied in der Isolationswirkung ist zu 3-fach-Verglasungen nicht sehr hoch, dafür wäre aber die Lichtdurchlässigkeit solcher Aerogelfenster deutlich besser und damit die Chance, im Winter mit solaren Gewinnen alleine durch Fenster einen Teil der Raumwärme bereitzustellen.

Die Herstellung von Aerogelen ist heute allerdings noch so aufwendig, daß Aerogelfenster immer noch weit von einer wirtschafltichen Alternative zu anderen Maßnahmen entfernt sind. Dabei sind die Aufwendungen von Kapital, stofflichen Ressourcen und Energie von Bedeutung. Aerogelen bleiben daher heute noch speziellen Anwendungen vorbehalten, etwa im militärischen Bereich oder als Isolator von verglasten Ofentüren (Airglass AB, s.u.).

Ein zwischenschritt könnten Glaselemente mit translucenten, also "durchschimmernden" Eigenschaften werden. Diese könnten an Glasfassaden außerhalb der zum durchblicken gedachten Fensterbereiche verwendet werden. Sie lassen Licht und damit als Raumwärme nutzbare Energie in Räume, sind im Vergleich zu echten Aerogelfenstern heute schon kostengünstig herstellbar und dienen gleichermaßen als Sichtschutz.

Ein opakes ("bedeckendes", "verdunkelndes") Isolationsmaterial, welches heute schon kommerziell erhältlich ist, sind sogenannte Vakuumisolationspanele, die aus mit porösem Silikagel gefüllten flachen Folienpacks bestehen, die durch die Evakuierung ihre gut isolierenden Eigenschaften erhalten. Hierbei können aber nanoporöse Materialien verwendet werden, deren optische Eigenschaften schlecht sind.


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