Aerogel: Der ultra-leichte Isolator der nächsten Generation für die Raumfahrt

Wir befinden uns mitten in einem neuen Wettlauf zur Erforschung des Weltraums, und neue Materialien stehen an der Spitze des technologischen Fortschritts. Betrachten Sie die Anforderungen an einen Raumanzug. Er muss den Astronauten vor den extremen Temperaturen des Weltraums schützen, dabei aber so dünn und leicht wie möglich sein, um Beweglichkeit zu gewährleisten.

Die NASA entwickelte Aerogel-Isolationsmaterialien für die Raumfahrt, doch in den letzten Jahren sind Aerogele kommerziell erhältlich geworden und finden Anwendung in zahlreichen weiteren Bereichen.

Aerogele sind hervorragende Wärmedämmstoffe. Hier schützt ein Stück Aerogel eine Blume vor einem Brenner.

Aerogele sind fortschrittliche Materialien, die aufgrund ihrer ultra-porösen Struktur Ingenieuren ermöglichen, nicht nur neue Wärmedämmung für Raumanzüge und -fahrzeuge zu entwerfen, sondern auch Filter, Batterien, Solarwärmekollektoren und mehr.

Allerdings sind „Aerogele“ kein Materialtyp. Vielmehr sind sie eine besondere Form von Feststoffen, 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 überwiegend aus Luft bestehen.

In diesem Artikel beantworten wir folgende Fragen:

• Was ist ein Aerogel?
• Wie stellt man Aerogele her?
• Was sind die Schlüsseleigenschaften von Aerogelen?
• Welche Anwendungen haben Aerogele?

Was ist ein Aerogel?

Aerogele sind ultra-poröse Materialien, was bedeutet, dass sie zwar fest sind, aber voller winziger, luftgefüllter Löcher sind, die Poren genannt werden. Diese Poren sind der Schlüssel zu den einzigartigen Eigenschaften von Aerogelen. Zwar sind viele Materialien porös, wie Schäume und bestimmte Keramiken, aber Aerogele sind ein Extremfall.

In Aerogelen machen Poren den größten Teil des Materials aus, was zu einem ultra-leichten Feststoff führt. Die Poren in Aerogelen sind auch extrem klein, weit kleiner als ein menschliches Haar und mit bloßem Auge nicht sichtbar. Daher sind Aerogele so leicht und durchscheinend, dass sie Spitznamen wie „feste Wolke“ und „gefrorener Rauch“ tragen.

Was sind die Schlüsseleigenschaften von Aerogelen?

Aerogele sind so porös, dass bis zu 95 % ihres Volumens Luft sind, was ihnen eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften verleiht. Dazu gehört, dass sie zu den leichtesten je hergestellten oder entdeckten Materialien gehören, was sie besonders nützlich in Luft- und Raumfahrtanwendungen macht, wo Gewichtsersparnis entscheidend ist.

Eigenschaften von Aerogelen umfassen:

• Extrem niedrige Dichte (siehe Matmatch-Suche nach niedriger Dichte)
• Sehr niedrige thermische Leitfähigkeit (siehe Matmatch-Suche nach niedriger thermischer Leitfähigkeit)
• Hohe spezifische Oberfläche für katalytische oder elektrochemische Reaktionen
• Transluzenz (siehe Matmatch-Suche nach optischer Transmission)

Der Schlüssel zu diesen einzigartigen Eigenschaften liegt darin, dass Aerogele nicht nur hochporös sind, sondern die Poren auch extrem klein sind – zu klein für das menschliche Auge. Das bedeutet, dass Aerogele nicht nur von der niedrigen thermischen Leitfähigkeit der Luft in den Poren profitieren, sondern die Luft auch nicht leicht strömen kann, was ihre Fähigkeiten als Wärmedämmstoffe weiter verbessert.

Wie stellt man Aerogele her?

Trotz ihres Namens sind Aerogele keine Gele, sie sind hochporöse Feststoffe, die überwiegend aus Luft bestehen. Aerogele beginnen als Flüssigkeit, werden in ein Gel überführt, dann wird die Flüssigkeit entfernt. Ihre einzigartigen Porenstrukturen entstehen durch Erhalt der Strukturen, die sich bilden, wenn winzige Partikel in der flüssigen Phase miteinander verbinden. (Siehe Matmatch-Suche nach kleiner Partikelgröße)

Der Trick besteht darin, die Flüssigkeit zu entfernen, während der Raum zwischen den Partikeln erhalten bleibt. Diese Räume werden zu den Poren im Aerogel.

Die häufigste Art von Aerogelen wird aus Silica im „Sol-Gel“-Verfahren hergestellt:

1. Ein „Sol“ wird durch Mischen winziger Feststoffpartikel mit einem flüssigen Lösungsmittel hergestellt.
2. Der Sol wird durch Zugabe eines Katalysators, der die Partikel miteinander verbindet, zu einem „Gel“, wodurch die Mischung erstarrt.
3. Das flüssige Lösungsmittel wird durch Trocknung entfernt, wobei nur der feste Aerogel zurückbleibt.

Die Verarbeitung von Aerogelen ist entscheidend für die Erzeugung ihrer einzigartigen Mikrostruktur. Ohne die ultrakleinen Poren, die aus ihrer halbfesten Gelphase übrig bleiben, hätten Aerogele nicht so niedrige Dichten und wären nicht so hervorragende Wärmedämmstoffe.

Welche Anwendungen haben Aerogele?

Aerogele sind kein spezifisches Material, sondern eine Materialform, die verarbeitet wurde, um extrem porös zu sein. Die häufigsten Aerogele bestehen aus Silica (Siliziumdioxid); es gibt jedoch auch Aerogele aus Graphen, Eisenoxid, Polymeren und mehr.

Aerogele treten auch in verschiedenen Formen auf, darunter dicke Blöcke, flexible Bahnen und dünne Beschichtungen. Aerogele können in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden und sind kommerziell als Dämmung erhältlich. Forscher entwickeln jedoch mehrere weitere technologische Anwendungen für diese bemerkenswerten Materialien.

Aerogel-Dämmung

Die niedrige thermische Leitfähigkeit und niedrige Dichte von Aerogelen machen sie zu einem exzellenten Dämmmaterial. Als zusätzlicher Vorteil sind Aerogele so leicht, dass sie der Struktur kaum Gewicht hinzufügen, was sie perfekt für die Raumfahrt macht, da jedes Kilogramm Geld kostet, um es in den Orbit zu heben. Aerogele sind auch so hervorragende Isolatoren, dass sie in dünnen Schichten eingesetzt werden können, wo Flexibilität benötigt wird, z. B. in Raumanzügen.

Einige Aerogele sind transluzent, sodass sie an Orten eingesetzt werden können, wo herkömmliche Dämmung nicht möglich wäre, z. B. Fenster und Solarpaneele. Ob für Oberlichter in irdischen Gebäuden oder Fenster in einem zukünftigen Weltraum-Habitat, Aerogele lassen Licht durch, blockieren aber Wärmeübertragung.

Das macht sie ideal, um Gebäude leichter zu heizen und zu kühlen und gleichzeitig mehr natürliches Licht hereinzulassen. Aerogele wurden auch als Beschichtungen in Solarwärmekollektoren der nächsten Generation verwendet, wo das Aerogel Licht durchlässt, aber verhindert, dass Wärme entweicht.

Die Fähigkeit von Aerogelen, Wärmefluss zu stoppen, macht sie auch als Tarnform nützlich, und Aerogelbeschichtungen wurden als Möglichkeit getestet, sich vor Infrarotkameras zu verstecken.

Adsorber & Filter

Die winzigen Poren in Aerogelen verleihen ihnen eine besonders hohe spezifische Oberfläche, was bedeutet, dass ein großer Teil des Feststoffmaterials mit seiner Umgebung in Kontakt steht. Wenn Aerogele aus Materialien hergestellt werden, die bestimmte Moleküle oder Partikel anziehen und binden, können sie als Filter und Adsorber dienen, die Substanzen in den Poren einfangen.

Silica-Gel ist ein hervorragendes Trockenmittel und chemisch unbedenklich für Lebensmittel.

Ein bekannter Verwandter von Aerogel-Adsorbern ist Silica-Gel, das häufig als Trockenmittel verwendet wird, um Wasser aus der Luft zu entfernen. Die meisten Menschen kennen Silica-Gel-Beutel, die Lebensmittel und andere Gegenstände trocken halten, in Klimaanlagen und anderen Anwendungen. Nachdem Silica-Gel mit Wasser gesättigt ist, kann es durch Erhitzen im Ofen „wiederaufgeladen“ werden, wodurch das Wasser von den Porenoberflächen verdampft und es trocken und wieder einsatzbereit wird.

Die Menge an aufnehmbarem Wasser steigt mit der spezifischen Oberfläche. Da Aerogele eine noch höhere spezifische Oberfläche als herkömmliche Silica-Gele haben, bieten Aerogele noch größere Verbesserungen in ihrer Fähigkeit, Feuchtigkeit einzufangen.

Fortgeschrittene technologische Anwendungen

Die hohe spezifische Oberfläche von Aerogelen bedeutet, dass sie eine besonders große Menge Material im Kontakt mit ihrer Umgebung haben. Dies macht Aerogele nützlich für eine Vielzahl chemischer und elektrochemischer Prozesse, die durch Maximierung der Kontaktfläche zwischen Lösungen und festen Substraten verbessert werden können.

Dazu gehören die Funktion als Katalysatoren oder Katalysatorträger für diverse industrielle chemische Prozesse sowie als Elektroden in Superkondensatoren der nächsten Generation.

Die NASA nutzte ein Aerogel, um Weltraumstaubpartikel an Bord der Stardust-Sonde einzufangen. Die Partikel verdampfen beim Aufprall auf Feststoffe und durchdringen Gase, können aber in Aerogelen eingefangen werden. NASA nutzte Aerogel auch zur thermischen Isolierung des Mars-Rovers.

Weil Aerogele eine Strukturart sind, die aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden kann, entwickeln Forscher ständig neue Aerogele und neue Anwendungen. Wenn weitere neue Materialien in Aerogele umgewandelt werden, ermöglichen sie neue technologische Entwicklungen wie neue Superkondensatoren, antimikrobielle Beschichtungen, Ölaufsaugpads, Knochenimplantate und mehr.

Aufgrund ihrer einzigartigen Kombination aus niedriger thermischer Leitfähigkeit, niedriger Dichte, hoher Oberfläche und Transluzenz entwickeln sich Aerogele zu einer vielfältigen Palette modernster Materialtechnologien.