Was ist Aerogel? Theorie, Eigenschaften und Anwendungen

Von G.P. ThomasAug 22 2012

‚Aerogel‘ ist ein weit gefasster Begriff für eine außergewöhnliche Gruppe von Materialien, die seit den 1960er Jahren in der Raumfahrt verwendet werden, aber jetzt in einer ganzen Reihe von Branchen Verwendung finden. Aerogel ist kein spezifisches Mineral oder Material mit einer festgelegten chemischen Formel – vielmehr umfasst der Begriff alle Materialien mit einer bestimmten geometrischen Struktur. Diese Struktur ist ein extrem poröser, fester Schaum mit hoher Konnektivität zwischen verzweigten Strukturen von wenigen Nanometern Durchmesser.

Obwohl Aerogel technisch gesehen ein Schaumstoff ist, kann er viele verschiedene Formen annehmen. Der Großteil des Aerogels besteht aus Kieselsäure, aber auch Kohlenstoff, Eisenoxid, organische Polymere, Halbleiter-Nanostrukturen, Gold und Kupfer können Aerogel bilden. Innerhalb der Aerogelstruktur ist jedoch sehr wenig festes Material, wobei bis zu 99,8% der Struktur aus nichts als Luft besteht. Diese einzigartige Zusammensetzung verleiht Aerogel ein fast gespenstisches Aussehen; daher wird es oft als ‚gefrorener Rauch‘ bezeichnet.

Obwohl dies wie ein Hologramm aussieht, ist dies ein Foto eines Aerogelklumpens, der sich anfühlt wie Styropor. Bildnachweis: NASA

Chemische und physikalische Eigenschaften von Aerogel

Eine der bekanntesten und nützlichsten physikalischen Eigenschaften von Aerogel ist seine unglaubliche Leichtigkeit – es hat typischerweise eine Dichte zwischen 0,0011 und 0,5 g cm-3, mit einem typischen Durchschnitt von etwa 0.020 g cm-3. Dies bedeutet, dass Aerogel normalerweise nur 15-mal schwerer als Luft ist und mit einer Dichte von nur dem 3-fachen der Luftdichte hergestellt wurde. Es ist so leicht, dass, wenn Michelangelos David aus Aerogel gebaut wäre, es ungefähr so viel wiegen würde wie eine Tüte Zucker! Viele Jahre lang stand Aerogel im Guinness-Buch der Rekorde als Feststoff mit der niedrigsten Dichte, bevor es kürzlich durch das metallische Mikrogitter und dann durch Aerographit verdrängt wurde.

Dies macht Aerogel jedoch keineswegs überflüssig, da es weitere 14 Weltrekorde trägt, darunter ‚bester Isolator‘. Weitere wünschenswerte Eigenschaften von Aerogel sind unten aufgeführt, wobei einige dieser Eigenschaften auch dem Menschen am besten bekannt sind.

• Niedriger mittlerer freier Diffusionsweg
• Hohe spezifische Oberfläche (für ein nicht pulverförmiges Material)
• Niedrige Wärmeleitfähigkeit
• Niedrige Schallgeschwindigkeit
• Niedriger Brechungsindex
• Niedrige Dielektrizitätskonstante

Die extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit von Aerogel wird hier meisterhaft demonstriert, da diese Wachsmalstifte aufgrund des schützenden Aerogels direkt über einer starken Flamme sitzen, ohne zu schmelzen. Bildnachweis: NASA

Wie entsteht Aerogel?

Im Allgemeinen wird Aerogel durch Trocknen eines Gels in einer Hochtemperaturumgebung erzeugt. Zuerst wird das Gel in einer Lösung erzeugt, und dann wird die flüssige Komponente durch überkritische Trocknung entfernt, die Flüssigkeit langsam entfernt, um die strukturelle Form zu erhalten. Diese flüssige Komponente wird dann durch Luft ersetzt. Aerogel wurde erstmals 1931 von Samuel Stephens Kistler entwickelt, wobei Kohlenstoff-Aerogele erstmals in den 1980er Jahren eingeführt wurden.

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Anwendungen von Aerogel

Da Aerogel so unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften hat, ist es nicht verwunderlich, dass es auch eine breite Palette von Anwendungen hat. Seit den 1960er Jahren wird Aerogel als Isoliermaterial in Raumanzügen von NASA-Astronauten verwendet, da es trotz seines wispy Aussehens extrem stark ist und Startbedingungen leicht überleben kann.

Im frühen 21.Jahrhundert wurde Aerogel von der NASA in einer ganz besonderen Rolle eingesetzt – um Weltraumstaub einzufangen. Aerogel wird in Verbindung mit der ‚Stardust‘ -Mission verwendet, die zum ersten Mal Partikel aus dem Weltraum von jenseits des Mondes zurückbringen soll. Dieser Staub wird hauptsächlich vom Kometen ‚Wild 2‘ gesammelt. Aerogel wird verwendet, um diesen Kometenstaub einzufangen, da es in der Lage sein wird, die kleinen Partikel einzufangen, ohne sie physikalisch zu verändern. Wenn das Partikel auf das Aerogel trifft, bewegt es sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 6 Mal so schnell wie eine Gewehrkugel, was bedeutet, dass die meisten Substanzen den Staub nicht verlangsamen können, ohne dass eine Erwärmung und damit eine Veränderung stattfindet. Mit Aerogel vergräbt sich der Staub jedoch in das poröse Material und wird allmählich zum Stillstand gebracht, wenn er an Schwung verliert.

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Aerogel entwickelt sich allmählich zu einem unverzichtbaren Material in der Dämmstoffindustrie und wird seit mehreren Jahren in hohlraumgespritzten Wanddämmstoffen und Dämmplatten eingesetzt. Seit kurzem wird in der Schweiz Putz auf Aerogelbasis zur Dämmung historischer Gebäude verwendet. Die Labore der EMPA (Eidgenössische Materialprüfungsanstalt) haben in Zusammenarbeit mit dem produzierenden Unternehmen Fixit AG einen Putz (Isoliermaterial) auf Aerogelbasis entwickelt, von dem sie glauben, dass er die doppelte Isolierung normaler Putz bietet. Die Verwendung von Aerogel auf diese Weise ist äußerst energieeffizient und umweltfreundlich, da der Einsatz fossiler Brennstoffe beim Heizen erheblich reduziert wird.

Die kürzlich angekündigten Verbesserungen der Zerbrechlichkeit und Sprödigkeit von Aerogelen bedeuten, dass sich in Zukunft eine ganz neue Welt von Anwendungen eröffnen könnte, von der Kleidung bis zum Hitzeproofing.

Beurteilen Sie ein Buch nicht nach seinem Einband: Obwohl es unglaublich leicht und geisterhaft aussieht, kann dieses kleine Stück Aerogel problemlos einen Standardhausstein tragen. Bildnachweis: NASA

Referenzen und weiterführende Literatur

• NASA Jet Propulsion Laboratory
• EMPA
• www.aerogel.org
• Raumfahrttechnik für alte Gebäude, EMPA, 20.August 2012
• ‚Solid Smoke‘-Material Aerogel erhält zusätzliche Festigkeit, BBC News, 20. August 2012

Geschrieben von

G.P. Thomas

Gary absolvierte die University of Manchester mit einem First-Class Honours Degree in Geochemie und einem Master in Geowissenschaften. Nachdem er im australischen Bergbau gearbeitet hatte, beschloss Gary, seine Geologiestiefel aufzulegen und sich dem Schreiben zuzuwenden. Wenn er keine aktuellen und informativen Inhalte entwickelt, spielt Gary normalerweise seine geliebte Gitarre oder sieht zu, wie Aston Villa FC dem Sieg die Niederlage entreißt.

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