„Gefrorener Rauch“ macht Glasbausteine ​​stark und superisolierend

Wie ein in den 1930er Jahren erfundenes Material die Art und Weise, wie wir Gebäude bauen, revolutionieren könnte

Die Sternenstaubmission der NASA hat erfolgreich Staub vom Schweif eines Kometen gesammelt und zur Erde zurückgebracht. ... [+] Das als Sammelmedium verwendete Aerogel wurde am JPL entwickelt. Auf diesem Foto aus dem Jahr 2002 ist Dr. Peter Tsou mit seinem Tablett zu sehen, das bei Flugtests des Stardust-Flugzeugs verwendet wurde. identisch mit dem auf Stardust verwendeten. (Foto von Ken Hively/Los Angeles Times über Getty Images)

Im Jahr 1999 startete die NASA eine Raumsonde mit einer ehrgeizigen Mission: Sie sollte Staubproben aus dem Schweif eines fernen Kometen sammeln und einige dieser Proben zur Erde zurückbringen. Ein Jahr nach dem Start von Cape Canaveral sammelte die Raumsonde Stardust ihre ersten Partikel interstellaren Staubs. Vier Jahre später erreichte es sein Ziel – den Kometen 81P/Wild, manchmal auch als Wild 2 bekannt – und setzte seinen Probensammler ein. Es wurde beschrieben, dass es wie „… eine Eiswürfelschale aus Metall in einem übergroßen Tennisschläger“ aussah. Der Hauptbestandteil des Sammlers war Silica-Aerogel, ein außergewöhnlicher, leichter, durchscheinender Schaumstoff. Wenn ein Staubpartikel auf das Aerogel traf, vergrub es sich darin und wurde langsam langsamer, bis es zum Stillstand kam. Das Aerogel hielt die Partikel an Ort und Stelle und konservierte sie. Als die Probenrückgabekapsel 2006 schließlich auf der Erde ankam, enthielt sie Zehntausende Partikel und ermöglichte es Forschern und der Öffentlichkeit, einige der Bausteine ​​unseres Sonnensystems zu untersuchen.

Aerogele wurden mehr als sechs Jahrzehnte zuvor erfunden und gehören zu den leichtesten festen Materialien, die jemals bekannt waren. Obwohl sie aus einer Vielzahl chemischer Verbindungen hergestellt werden können, sind solche auf der Basis von Kieselsäure am häufigsten. Um eines herzustellen, kombinieren Sie Siliziumdioxid mit einem Lösungsmittel und erzeugen so ein feuchtes, poröses Gel, dessen Struktur der von Wackelpudding ähnelt (aber lassen Sie sich nicht täuschen, es ist nicht essbar*). Anschließend unterziehen Sie es einem Prozess namens überkritisches Trocknen, bei dem Sie das Gel in Gegenwart einer Flüssigkeit (z. B. Kohlendioxid) unter Druck setzen und erhitzen. Bei korrekter Durchführung wird dadurch die Flüssigkeit aus dem Gel entfernt und durch Luft ersetzt, ohne dass die Struktur beschädigt wird. Das feste, aber äußerst dichte Gerüst des Gels bleibt zurück, was den Aerogelen das gespenstische Aussehen verleiht, für das sie berühmt sind. Silica-Aerogele haben Spitznamen wie „gefrorener Rauch“ und „feste Wolke“ erhalten, und mit einer Porosität zwischen 90 und 99,8 % bestehen Aerogele tatsächlich größtenteils aus Luft. Dadurch sind sie nicht nur superleicht; es bedeutet auch, dass sie wirksame Wärmeisolatoren sein können.

Und hier auf der Erde haben Silica-Aerogele am meisten Verwendung gefunden.

Die Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden ist ein wichtiger Teil unseres Übergangs zu einer kohlenstoffärmeren Zukunft. Der aktuelle Zustand des Sektors ist nicht gut. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur ist der Betrieb von Gebäuden für sage und schreibe 30 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich. Und das UN-Umweltprogramm sagt, dass dieser Anteil in den letzten Jahren nicht zurückgegangen ist, sondern immer noch wächst; Der Energiebedarf von Gebäuden ist zwischen 2020 und 2021 um rund 4 % gestiegen – der stärkste Anstieg in den letzten 10 Jahren.

Ein Teil davon ist auf die wachsende Stadtbevölkerung zurückzuführen – mehr Menschen, mehr Gebäude –, aber es scheint auch durch unsere Obsession für hohe, glasverkleidete Wolkenkratzer beeinflusst worden zu sein.

Isolierung trägt dazu bei, die Wärmeleistung eines Gebäudes zu verbessern. Fotograf: Sergio Flores/Bloomberg

Die Gestaltung einer Gebäudehülle (seine Außenhülle) und die für ihre Konstruktion verwendeten Materialien haben einen großen Einfluss auf den letztendlichen Energieverbrauch des Gebäudes. Die Wände, Böden, Decken, Fenster, Treppenhäuser, Türen, Aufzugsschächte und Dächer bestimmen zusammen die thermische Leistung der gesamten Struktur. Dies wiederum definiert die Kosten, die für die Aufrechterhaltung angenehmer Innentemperaturen anfallen, sobald das Gebäude bewohnt ist**.

Um die Wärmeleistung zu steigern, bedeutet dies im Allgemeinen, dass die Dicke Ihrer Isolierung erhöht wird. Bei undurchsichtigen Wänden aus Beton, Holz oder Ziegeln stellt dies kein Problem dar. Es gibt unzählige Dämmstoffe auf dem Markt, darunter solche aus Abfall und andere aus Aerogel.

Aerogele wurden erstmals vor über zwanzig Jahren in Bauprojekten eingesetzt. Der gängigste Ansatz bestand damals wie heute darin, das Material mit Glas-, Mineral- oder Kohlefasern zu kombinieren, um hochisolierende Decken zu schaffen, die hinter Wänden und Decken installiert werden können. In jüngerer Zeit haben Hersteller damit begonnen, sich die optischen Eigenschaften von Aerogelen zunutze zu machen. Kleine Pellets davon werden zwischen verstärkten Polycarbonatplatten eingelegt, um nicht tragende, durchscheinende Platten zu bilden, die in Gebäude integriert werden können. Diese Aerogelplatten sind mittlerweile in Schulen, Museen, Sportzentren, Kirchen, Krankenhäusern, Arenen und Flughäfen auf der ganzen Welt zu finden. Was sie so nützlich macht, ist ihre einzigartige Kombination von Eigenschaften. Aufgrund ihrer Lichtdurchlässigkeit lassen sie Tageslicht durch, ihre geringe Wärmeleitfähigkeit minimiert jedoch den Wärmeverlust.

Ein neues Papier, das diese Woche im Journal of Building Engineering veröffentlicht wurde, scheint dieser Liste eine weitere Eigenschaft hinzugefügt zu haben – die strukturelle Festigkeit.

Forscher des Eidgenössischen Laboratoriums für Wissenschaft und Technologie haben einen neuartigen, mit Silica-Aerogel gefüllten Glasbaustein entwickelt, der ihrer Meinung nach die höchste bisher gemeldete Isolationsleistung aufweist. Darüber hinaus sind ihre Ziegel um ein Vielfaches stärker als herkömmliche Dämmsteine ​​aus Ton.

Diese mit Aerogel gefüllten Ziegel lassen diffuses Licht durch und wirken gleichzeitig als wirksame ... [+] Wärmedämmung

Die „Aerobricks“ bestehen aus drei Hauptkomponenten: Standard-Floatglas, Epoxidharz und Aerogel. Das Glas bildet den Großteil der Struktur – ihr leistungsstärkster Prototyp besteht aus vier Glasstücken. Das Epoxidharz wird zum Versiegeln der Außenkanten des Ziegels verwendet. Außerdem wird es zu zick-zack-förmigen Abstandshaltern geformt, die die Glasscheiben miteinander verbinden und Hohlräume bilden, die dann mit Aerogel-Granulat gefüllt werden können. Der fertige Ziegel hatte die Maße 50 × 13,6 x 8,4 cm [ca. 20 x 5 x 3 Zoll]

Obwohl sie die Durchlässigkeit ihrer mit Aerogel gefüllten Glasbausteine ​​nicht direkt maßen, konnten sie sie anhand der einzelnen Komponenten abschätzen. Sie sagen, dass >38 % des sichtbaren Lichts durch die Ziegel dringen, was weniger ist als bei aktuellen kommerziellen Angeboten. Mit anderen Worten: Eine aus diesen Ziegeln hergestellte Wand lässt wahrscheinlich etwas weniger Licht durch als mit Aerogel gefüllte Polycarbonatplatten.

Die anderen Ergebnisse des Teams waren vielversprechender.

Sie maßen die thermische Leistung des Ziegels (und einer Modellwand aus sechs Ziegelreihen) mithilfe einer großen, geschützten Heizplatte. Außerdem führten sie eine Simulation des Ziegelsteins mithilfe einer Software zur thermischen Analyse durch. Die Ergebnisse zeigten eine ziemlich gute Übereinstimmung – die gemessene Wärmeleitfähigkeit betrug 53,0 mW/(m·K) und der simulierte Wert betrug 50,5 mW/(m·K). Dadurch sind sie isolierender als alles, was „…in der Literatur beschrieben oder auf dem Markt erhältlich ist“. Sie können die Wärme sogar besser speichern als viele undurchsichtige Dämmstoffe.

Um zu verstehen, wie stark jeder Stein war, legten sie ihn in einen Kompressionstester, eine Maschine, die große Kräfte auf ein Material ausübt und diese allmählich steigert, bis das Material bricht. Dieser Test ergab, dass die Ziegel eine Druckfestigkeit von fast 45 MP aufwiesen, was darauf hindeutet, dass sie im Gegensatz zu Polycarbonatplatten für den Einsatz in tragenden Strukturen geeignet wären.

Jeder Stein besteht aus vier Glasscheiben, die durch Epoxidharzzwischenräume getrennt sind. Aerogel-Granulat wird verwendet ... [+], um jeden entstehenden Hohlraum zu füllen

Die Forscher haben ihre Erfindung zum Patent angemeldet und sagen, dass ihre Aerobricks am besten als Ersatz für Außenwände und nicht als Ersatz für Fenster geeignet seien. Sie schreiben, dass es „… die Möglichkeit eröffnet, eine Gebäudehülle mit einer mechanisch selbsttragenden, lichtdurchlässigen Fassade zu schaffen….“ Das isoliert nicht nur gut, sondern bringt auch natürliches Tageslicht ins Innere des Gebäudes.“

Da so viele von uns längere Zeit in Innenräumen verbringen, unsere Städte immer dichter werden und der Energieverbrauch in unseren städtischen Häusern dringend gesenkt werden muss, könnten sich diese Ziegel gerade durchsetzen.

* Es ist sehr wahrscheinlich, dass Sie mit dem Hauptbestandteil von Aerogelen, Kieselgel, vertraut sind. Zu kleinen Perlen geformt und in kleine, durchlässige Beutel verpackt, wird es häufig als Trockenmittel verwendet und absorbiert Feuchtigkeit aus kommerziellen Produkten.

** Die Kosten können erheblich sein. Weltweit machen Raumheizung und -kühlung zwischen einem und zwei Drittel des gesamten Energieverbrauchs von Gebäuden aus.