Aerogel:Bemerkenswerter Dämmstoff der Zukunft

Aerogele sind hervorragende Wärmeisolatoren. Hier schützt ein Stück Aerogel eine Blume vor einer Lötlampe.

Aerogele sind fortschrittliche Materialien die es Ingenieuren aufgrund ihrer ultraporösen Struktur ermöglichen, nicht nur neue Wärmedämmungen für Raumanzüge und Fahrzeuge zu entwerfen , sondern auch Filter, Batterien, Solarkollektoren und mehr .

„Aerogele“ sind jedoch keine Materialart . Sie sind vielmehr eine Sonderform von Feststoff die aus Silica, Polymeren, Oxiden, Kohlenstoff und anderen Materialien hergestellt werden können . Obwohl Aerogele fest sind, enthalten sie so viele winzige Hohlräume oder „Poren“, dass sie hauptsächlich aus Luft bestehen.

In diesem Artikel beantworten wir die folgenden Fragen:

• Was ist ein Aerogel?
• Wie stellt man Aerogele her?
• Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Aerogelen?
• Was sind die Anwendungen von Aerogelen?

Was ist ein Aerogel?

Aerogele sind ultraporöse Materialien , was bedeutet, dass sie obwohl sie fest sind, voller winziger luftgefüllter Löcher sind Poren genannt. Diese Poren sind der Schlüssel zu den einzigartigen Eigenschaften von Aerogelen . Während viele Materialien porös sind, wie Schäume und bestimmte Keramiken, sind Aerogele ein Extremfall.

In Aerogelen machen Poren den größten Teil des Materials aus , was zu einem ultraleichten festen Material führt . Die Poren in Aerogelen sind außerdem extrem klein, viel kleiner als ein menschliches Haar und zu winzig, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Daher sind Aerogele so leicht und durchscheinend, dass sie Spitznamen wie „feste Wolke haben “ und „gefrorener Rauch “.

Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Aerogelen?

Aerogele sind so porös, dass bis zu 95 % ihres Volumens Luft ist , was ihnen eine Vielzahl von ungewöhnlichen Eigenschaften verleiht . Dazu gehört die Tatsache, dass sie zu den leichtesten Materialien gehören, die je hergestellt oder entdeckt wurden , was sie besonders nützlich in Luft- und Raumfahrtanwendungen macht wo Gewichtseinsparungen lebenswichtig sind.

Zu den Eigenschaften von Aerogelen gehören:

• Extrem niedrige Dichte (siehe eine Matmatch-Suche für niedrige Dichte)
• Sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit (siehe Matmatch-Suche nach niedriger Wärmeleitfähigkeit)
• Hohe Oberfläche für katalytische oder elektrochemische Reaktionen
• Transluzenz (siehe Matmatch-Suche für optische Durchlässigkeit)

Der Schlüssel zu diesen einzigartigen Eigenschaften ist die Tatsache, dass Aerogele nicht nur hochporös sind , aber die Poren sind auch extrem klein – zu klein, um mit dem menschlichen Auge gesehen zu werden. Das bedeutet, dass Aerogele nicht nur von der geringen Wärmeleitfähigkeit der Luft in den Poren profitieren, sondern die Luft auch nicht leicht strömen kann , was ihre Fähigkeiten als Wärmeisolatoren weiter verbessert .

Wie stellt man Aerogele her?

Trotz ihres Namens sind Aerogele keine Gele , sind sie hochporöse Feststoffe die hauptsächlich aus Luft bestehen. Aerogele beginnen als Flüssigkeit , werden in ein Gel umgewandelt, dann wird die Flüssigkeit entfernt. Ihre einzigartigen Porenstrukturen entstehen, indem die Strukturen erhalten bleiben, die entstehen, wenn winzige Partikel in der flüssigen Phase miteinander verbunden werden. (Siehe eine Matmatch-Suche für kleine Partikelgröße)

Der Trick besteht darin, die Flüssigkeit zu entfernen und gleichzeitig den Raum zwischen den Partikeln zu erhalten . Diese Zwischenräume werden zu Poren im Aerogel.

Die gebräuchlichste Art von Aerogelen wird aus Kieselsäure hergestellt nach dem „Sol-Gel“-Verfahren:

1. Ein „Sol“ wird hergestellt, indem winzige feste Partikel mit einem flüssigen Lösungsmittel gemischt werden.
2. Das Sol wird zu einem „Gel“ verarbeitet, indem ein Katalysator hinzugefügt wird, der die Partikel aneinander bindet und die Mischung verfestigt.
3. Das flüssige Lösungsmittel wird durch Trocknen entfernt, wobei nur das feste Aerogel zurückbleibt.

Die Verarbeitung von Aerogelen ist entscheidend für die Schaffung ihrer einzigartigen Mikrostruktur. Ohne die ultrakleinen Poren, die von ihrer halbflüssigen Gelphase übrig geblieben sind hätten Aerogele nicht so niedrige Dichten oder solche hervorragenden Wärmeisolatoren sein .

Was sind die Anwendungen von Aerogelen?

Aerogele sind kein bestimmtes Material, sondern eine Form von Material welches bearbeitet wurde, um es extra porös zu machen. Die gängigsten Aerogele werden aus Kieselsäure hergestellt (Siliciumdioxid); aber es gab auch Aerogele aus Graphen, Eisenoxid, Polymeren und mehr .

Aerogele treten auch in einer Vielzahl von Formen auf einschließlich dicke Ziegel, flexible Platten und dünne Beschichtungen . Aerogele können in einer Reihe von Anwendungen verwendet werden und sind im Handel zur Verwendung als Isolierung erhältlich . Forscher haben jedoch mehrere andere technologische Anwendungen für diese bemerkenswerten Materialien entwickelt.

Aerogel-Isolierung

Die geringe Wärmeleitfähigkeit und geringe Dichte von Aerogelen machen sie zu einem hervorragenden Isolationsmaterial . Als zusätzlicher Bonus sind Aerogele so leicht, dass sie der Struktur kaum Gewicht hinzufügen , was sie perfekt für die Raumfahrt macht denn jedes Kilogramm kostet Geld, um es in den Weltraum zu heben. Aerogele sind auch ausgezeichnete Isolatoren, die in dünnen Schichten verwendet werden können, wo Flexibilität erforderlich ist , wie in Raumanzügen.

Einige Aerogele sind durchscheinend , was bedeutet, dass sie an Stellen verwendet werden können, an denen herkömmliche Isolierungen dies nicht könnten, wie z. B. Fenster und Sonnenkollektoren . Ob sie für Oberlichter in terrestrischen Gebäuden verwendet werden oder die Fenster in einem zukünftigen Weltraumlebensraum , Aerogele lassen Licht durch, blockieren aber die Wärmeübertragung .

Das macht sie ideal, um Strukturen leichter beheizen und kühlen zu machen und gleichzeitig mehr natürliches Licht hereinlassen . Aerogele wurden auch als Beschichtungen in Sonnenwärmekollektoren der nächsten Generation verwendet , wo das Aerogel Licht durchlässt, aber verhindert, dass Wärme entweicht.

Die Fähigkeit von Aerogelen, den Wärmefluss zu stoppen macht das auch als Form der Tarnung nützlich , und Aerogel-Beschichtungen wurden getestet, um sich vor Infrarotkameras zu verstecken .

Adsorber &Filter

Die kleinen Poren in Aerogelen verleihen ihnen eine besonders hohe spezifische Oberfläche, wodurch ein großer Anteil des Feststoffs Kontakt mit seiner Umgebung hat . Wenn Aerogele aus Materialien hergestellt werden, die bestimmte Moleküle oder Partikel anziehen und daran haften, können sie als Filter und Adsorber verwendet werden, die Substanzen in den Poren einschließen .