Plasty pro stavebnictví a architekturu 4 – Aerogel 14. 2. 2008, IVANA VEJRAŽKOVÁ Aerogel vypadá jako materiál z nějakého sci-fi filmu – nehmotná látka se vznáší v prostoru a výzkumní pracovníci ji přidržují jen konečky prstů. Přesto je to reálný materiál s naprosto unikátními vlastnostmi, který v posledních letech opouští výzkumné laboratoře a nachází průmyslová využití, která mohou znamenat převrat v mnoha oborech. Je to materiál, který je předurčen stát se jedním z nejdůležitějších materiálů 21. století. Aerogel má extrémní strukturu, ze které vyplývají jeho extrémní vlastnosti:
Peter Tsou je vedoucím projektu Sonda STARDUST, jejímž cílem byl sběr kometárního a mezihvězdného prachu do lapače vyrobeného z aerogelu Nejnižší hustota Aerogel je pevná látka s nejnižší známou hustotou. Jeden krychlový metr nejnovější a nejlehčí verze tohoto materiálu váží pouhých 1,9 gramů! Je také nazýván „pevným kouřem“, neboť až 99,8 % jeho objemu tvoří vzduch. Zbývající 0,2 % tvoří oxid křemičitý. Z tohoto poměru vyplývají jeho naprosto jedinečné vlastnosti. Nejvyšší porozita Aerogel je jediný materiál s porozitou přesahující 95 % a velmi širokou distribucí pórů od 10– 10 do 10–6 m. Navíc jsou tyto póry otevřené, tzn. plyny nebo kapaliny mohou procházet materiálem s minimálními omezeními. Tato vlastnost aerogelů je využívána pro katalytické reakce, výrobu mikrofiltračních membrán, adsorbentů atd. Velmi vysoký vnitřní povrch
Aerogely jsou tvořeny křemičitými strukturami ve tvaru dutých koulí o velikosti řádově několika nanometrů. Důsledkem tvaru a velikosti těchto stavebních kamenů aerogelu je jeho obrovský vnitřní povrch, tedy poměr mezi povrchem vnitřní struktury a jejím objemem. Jeden gram aerogelu má specifický povrch až 1000 m2! Dá se tak použít jako absorpční materiál s dalšími mimořádnými fyzikálními vlastnostmi.
Aerogel má vynikající tepelněizolační vlastnosti. Květina na tenké vrstvě aerogelu je dokonale chráněná před působením plamene Bunsenova hořáku s teplotou kolem 1000 °C.
Voskovky jsou tenkou vrstvou aerogelu dokonale izolované od působení plamene. Zatímco na spodní straně aerogelu je teplota kolem 1000 °C, horní strana zůstává chladná. Vynikající termoizolační vlastnosti Nízký součinitel tepelné vodivosti, pohybující se v rozsahu λ = 0,015–0,020 W/m.K, a tedy v hodnotách nižších než u naprosto klidného vzduchu (λ = 0,026 W/m.K), je dán skutečností, že rozměr pórů je menší než střední volná dráha molekul vzduchu. Jemná struktura tak omezuje přenos tepla vzájemnými kolizemi molekul vzduchu. Teplota tavení aerogelu je kolem 1200 °C! Světelná propustnost Propustnost slunečního záření aerogelu se pohybuje v rozsahu τ = 0,85 až 0,95 podle tloušťky vrstvy aerogelu. Přitom aerogel je jediná hmota s výraznými tepelněizolačními schopnostmi, která je současně čirá. Čirost aerogelu je způsobena rozměrem pórů, které jsou mnohem menší než vlnová délka slunečního záření ve viditelné oblasti, což významně snižuje rozptyl slunečního záření. Variabilita složení Aerogely mohou být připraveny z řady chemických prvků. Nejběžnější jsou areogely křemičité, byly však vyrobeny také aerogely na bázi uhlíku, hliníku, chrómu, zinku, cínu a zkoumají se možnosti využití méně obvyklých prvků jako např. tantalu či niobu.
Tento experiment demonstruje schopnost aerogelu pohlcovat mechanickou energii. Do aerogelu byly s velikou rychlostí vystřeleny speciální vzduchovou pistolí částice, které byly aerogelem zachyceny. Z historie aerogelu Objev aerogelu není nijak nový. Už ve 30. letech 20. století přišli na postup jeho výroby vědci z americké Stanford University. Metodou superkritického vysoušení se jim podařilo vysušit kapalný gel tak, aby neztratil svůj tvar. Vedle fantastických vlastností aerogelu se však projevily také problémy s jeho výrobou. Navzdory teoretickým předpokladům se nikdy nepodařilo vyrobit aerogel přesně definovaných vlastností. Potíže byly zejména s dodržením velikosti pórů v materiálu, poměru a rozměru pevných částic a podobně. Výroba byla poměrně nebezpečná, protože se pracovalo za vysokých teplot a tlaků s jedovatými parami metanolu. Díky tomu se zdálo prakticky nemožné připravit sériovou výrobu aerogelu pro technické využití. Aerogel vyráběný v pozemských podmínkách také nikdy nebyl čirý, ale pokaždé měl různé druhy zákalu. Aerogel v kosmickém výzkumu Aerogel byl znovu objeven díky kosmickému výzkumu. Vědcům se podařilo zjednodušit a zefektivnit metodu superkritického vysoušení a tím nastartovat následný rychlý rozvoj tohoto materiálu. Aerogel byl využit v roce 1997 v rámci významné mise sondy PathFinder. Vozítko několik dní křižovalo povrch Marsu. Nebylo vybaveno žádným zdrojem tepla, přestože při teplotách až –100 °C by elektronika vozítka rozhodně nemohla pracovat. PathFinder byl izolován aerogelem, který uvnitř přístroje udržoval příznivou teplotu, a to jen zadržením tepla emitovaného mikroelektronikou vozítka.
V roce 1999 vyslala Americká kosmická agentura (NASA) a Laboratoř tryskových pohonů (JPL) do kosmu sondu s úkolem sesbírat vzorky kometárního a mezihvězdného prachu do lapače vyrobeného z křemíkového aerogelu. Díky schopnosti aerogelu dobře přenášet mechanickou energii byly částice prachu zachyceny a nijak nedeformovány, přestože narážely do aerogelových lapačů až dvanáctkrát rychleji než projektily ze samopalu. Sonda StarDust se vrátila na Zemi letos v lednu. Obsahem návratového pouzdra je aerogel o ploše cca 1000 cm2, který by měl obsahovat miliony částic. Vzorky částic umožní získat obraz o složení a dynamice rané Sluneční soustavy.
Cihla vážící 2,5 kg je postavena na kus aerogelu vážící pouhé 2 g. Snímek demonstruje úžasnou pevnost křemíkové struktury aerogelu. Výroba aerogelu Aerogel se vyrábí z gelu oxidu křemičitého (SiO 2 ) při vysokých tlacích a teplotách s přídavkem katalyzátorů. Po odstranění veškeré kapalné složky z gelu vznikne těleso s miliardami skořápek z křemíku, které zaručuje celé struktuře odolnost proti působení tlaku. Celý tento proces se nazývá superkritické vysoušení a jedině během tohoto děje nedojde při sušení křemičitého gelu k deformaci a zhroucení křemíkových skořepin. Vzhledem k velmi vysoké porozitě běžný aerogel výrazně váže vodní páru a při styku s vodou se rozpouští zpět do podoby gelu. Jeho aplikace je tedy podmíněna hermetickým uzavřením. V současné době probíhá výzkum a vývoj výrobních postupů, které by zlevnily investičně náročnou produkci (snížení tlaků a teplot) a zlepšily fyzikální vlastnosti aerogelu (snížení křehkosti, hydrofobní aerogely, velkoplošné monolitické aerogely atd.). Materiál budoucnosti? Americká firma Aspen Aerogels vyrábí izolační rohože na bázi aerogelu vyztužené textilními vlákny. Jsou vhodné pro izolace nejrůznějších potrubí, tepelných výměníků, pro stavbu protipožárních bariér, dokonce se používají pro výrobu vložek do bot. Tyto izolační rohože se aplikují stejným způsobem jako běžné izolační materiály. Jsou pružné, takže je možné jimi izolovat i zařízení velmi složitých tvarů. Rohože je možné řezat nožem, laserem nebo vodním paprskem. Ve srovnání s běžnou izolací pomocí minerální vlny stačí pouze čtvrtinová tloušťka izolační vrstvy aerogelové rohože.
Aerogel bude zajisté časem součástí našich domovů stejně jako goretexové oblečení. Cena některých komponent z aerogelu se již nyní přiblížila do dostupných cenových hladin především díky poměru cena/výkon. V místnosti izolované jen několik milimetrů silnou vrstvou aerogelu není nutné topit, a to ani v zimě. Místnost se vytopí sama během několika desítek minut pouze uvolněným tělesným teplem. Rozhodně však nebude možné použít aerogel na izolaci skleníku, protože teplota v něm by nebyla vyšší, než je teplota hlíny na zemi.
Aerogel připomíná na první pohled hologram. Je to však tuhá látka, na dotyk podobná pěnovému polystyrenu. Okna obecně jsou stále nejslabším článkem tepelné izolace budov. Švédská firma Airglass vyvíjí nový materiál pro zasklívání oken, složený z vrstvy aerogelu vakuově uzavřené mezi dvě desky skla. Výroba je zatím ve fázi poloprovozu, měsíčně se vyrobí 3–6 m2, které zatím slouží pouze k testování. Cesta je to však velmi nadějná. Zdá se tedy, že hlavní možnosti využití aerogelu jsou v jeho tepelněizolačních vlastnostech. Rozšířením používání aerogelu jako tepelné izolace dojde ke snížení energetické spotřeby, tím také ke snížení emisí skleníkových plynů a omezení znečištění Země. zdroj obr. www.nasa.gov Literatura: Internetové stránky NASA, JPL, Aspen a Airglass. Ing. Ivana Vejražková (*1967) absolvovala VŠCHT v Praze. Pracuje ve firmě Happy Materials, která se zabývá konzultační činností v oblasti polymerních materiálů a která vytváří databáze materiálů.
