Aerożel – materiał przyszłości

Ma ekstremalnie niską gęstość, jest doskonałym izolatorem – zarówno niskich, jak i bardzo wysokich temperatur – i interesuje się nim coraz więcej firm. Aerożel dzięki swoim właściwościom może stać się naszą przepustką do eksploracji Marsa.

W roku 1931 Samuel Kistler założył się ze swoim kolegą Charlesem Learnedem, że jest w stanie usunąć z galaretki całą ciecz, która się w niej znajduje, po to, aby w rezultacie zastąpić ją… gazem. Ten z pozoru absurdalny zakład był początkiem rozwoju technologii, dzięki której powstał aerożel (ang. aerogel).

Wystarczy zastąpić ciecz gazem

Założenia zakładu były następujące: usunąć płyn z galaretki w taki sposób, aby nie naruszać struktury stałej. Tu zaczynają się schody. Jeśli bowiem Kistler spróbowałby np. odparowania cieczy, struktura stała po prostu by się skurczyła i w rezultacie zapadła do środka. Badacz doszedł więc do wniosku, że nie jest to najlepszy sposób. Postanowił zatem jeden rodzaj płynu zastąpić innym, np. wodę alkoholem. Tak przygotowaną galaretkę z procentami umieścił w wysokociśnieniowym zbiorniku i podgrzał ją do momentu nazywanego punktem krytycznym cieczy. W wyniku tego działania zmieniła ona swój stan z płynnego na półpłynny półgaz, zwany nadkrytycznym płynem.

Aerożel (ang. aerogel) jest w dużej mierze przeźroczysty. Dzięki tej właściwości może być wykorzystywany do produkcji szyb, a w przyszłości – habitatów poza Ziemią.

Reasumując, jeśli poddamy daną substancję* dekompresji, uzyskany szkielet – składający się z od 3% do 50% żelu – pozostaje nienaruszony i to właśnie on nosi nazwę aerożel.

Aerożel – materiał o ekstremalnie niskiej gęstości

Warto zaznaczyć, że aerożele nie powstają wyłącznie ze wspomnianej galaretki. Jest to zróżnicowana klasa porowatych substancji stałych, które wykazują rzadko spotykane właściwości materiałów. Znane są przede wszystkim ze swoich ekstremalnie niskich gęstości (0,0011 – 0,5 g/cm3). Dla porównania gęstość plastiku wynosi 1,2 g/cm3.

Przykładowo aerożel krzemionkowy może być zaledwie trzy razy cięższy od powietrza, co więcej – jeśli z jego „porów” odprowadzilibyśmy tlen, byłby on od niego lżejszy. Wyobraźmy sobie teraz „Dawida” Michała Anioła. Jeśli byłby on wykonany z aerożelu o gęstości 0,020 g/cm3, mógłby ważyć około 4 kilogramów!

Aerożel to mezoporowata (termin mezoporowaty odnosi się do materiału, który zawiera pory o średnicy od 2 do 50 nm), stała struktura przypominająca piankę, która składa się z sieci wzajemnie połączonych nanostruktur. Wykazuje on porowatość nie mniejszą niż 50%.

Można więc powiedzieć, że aerożel jest suchą, porowatą, stałą strukturą żelową o niskiej gęstości. Sama nazwa [aerożel] odnosi się do tego, że jego struktura bazuje właśnie na żelu – który w swoich porach zamiast cieczy posiada gaz.

Nie tylko galaretka

Aerożel nie odnosi się do konkretnego materiału, a do geometrii, którą może przyjąć dana substancja. *Mogą być wykonane z:

  • krzemionki;
  • większości metali przejściowych (np. tlenek żelaza);
  • większości tlenków metali z grupy lantanowców i aktynowców (np. tlenek prazeodymu);
  • kilku grup tlenków metali (np. tlenek cyny);
  • polimerów organicznych (np. polistyreny);
  • polimerów biologicznych (np. żelatyna, agar);
  • nanostruktur półprzewodnikowych (np. kropki kwantowe z selenem kadmu);
  • węgla;
  • nanorurek węglowych;
  • metali (takich jak miedź i złoto).

Aerożelowa rewolucja

Choć na przełomie wieków badania związane z aerożelem straciły impet – również w związku z tym, że wersje stworzone za pomocą „receptury” Kistlera były zbyt kruche i kosztowne – rewolucja z nimi związana czekała tuż za rogiem.

Około 1999 roku aerożelem zainteresowała się NASA. Wypuściła wówczas – wyposażoną w wysięgnik w całości wypełniony aerożelem – sondę Stardust, której zadaniem było pobranie próbki z ogona komety. Misja okazała się sukcesem. Trzy lata później firma Aspen Aerogel stworzyła mocniejszą i bardziej giętką wersję aerożelu, który może być wykorzystywany chociażby jako izolator w kombinezonach astronautów. Wynika to z faktu, że aerożel ma najniższy ze znanych nam substancji współczynnik przewodnictwa cieplnego, który wynosi 0,015 W/m٠K.

Co ciekawe, ze względu na to, że aerożel ma bardzo niskie przewodnictwo cieplne, kumuluje całą energię (ciepło). Grubość materiału należy więc dobierać bardzo precyzyjnie. Przekonała się o tym m.in. Ann Parmenter, która podczas swojej wspinaczki na Everest testowała produkt Aspen Aerogel w formie izolowanych skarpet. Okazało się jednak, że właśnie przez zły dobór ilości substancji było jej po prostu zbyt gorąco. Kolejną firmą, która nie doceniła właściwości izolacyjnych aerożelu, był Hugo Boss, który wykorzystał go w wysokiej klasy kurtce. Jej produkcja została przerwana z powodu przegrzewania się osób z niej korzystających.

Rynkowi liderzy tworzą własne produkty

W związku z dynamicznym rozwojem branży w ciągu ostatniej dekady areożelem zaczęło się interesować coraz więcej przedsiębiorstw, a wręcz zaczęły pojawiać się firmy działające w oparciu wyłącznie o to rozwiązanie. Jedną z nich jest Aerogel Technologies, która jest obecnie jedną z wiodących firm oferujących niestandardowe rozwiązania aerożelowe.

Jak czytamy na stronie firmy, produkty, które oferują, mogą znaleźć zastosowanie m.in. w:

  • inżynierii zarządzania ciepłem (np. w mikrofalowych komorach plazmowych);
  • przemyśle naftowym i gazowym (np. w formie owijki termicznej);
  • w kosmonautyce (np. jako izolacja kriogeniczna);
  • uprawie roślin (może zastąpić metal, zapobiegając korozji);
  • architekturze i budownictwie (np. jako szyby w oknach);
  • jako materiały konstrukcyjne (np. lekkie panele);
  • motoryzacji (np. do izolacji cieplnej i dźwiękowej);
  • przemyśle morskim (np. przy konstrukcji statków).

W zeszłym roku firma Aerogel Technologies oznajmiła, że planuje ekspansję na rynku lotniczym. Chodzi o produkcję wielkogabarytowych paneli aerożelowych.

Mówiąc o liderach branży, należy wspomnieć również o wymienianej wcześniej firmie Aspen Aerogels, która jest odpowiedzialna za wprowadzenie do produkcji (we współpracy z Pacor Inc.) dwóch produktów opartych na aerożelu. Mowa o:

  • Cryogel  – elastycznym kompozytowym materiale aerożelowym przeznaczonym do izolowania kriogenicznego od otoczenia w niskich temperaturach;
  • Pyrogelu – elastycznym kompozytowym materiale aerożelowym przeznaczonym do izolowania kriogenicznego od otoczenia w wysokich temperaturach.

Tematem zainteresowały się też korporacje takie jak Proctor Group, która wprowadziła do sprzedaży Spacetherm. Jest to ultracienki, oddychający materiał izolacyjny, pozwalający zaizolować m.in. historyczne budynki, według współczesnych standardów, bez naruszania ich oryginalnego wyglądu.

Google wykorzystuje aerożel w 2015 roku

Jako ciekawostkę warto dodać, że Google we współpracy z firmą Assus oraz wcześniej wspomnianym przedsiębiorstwem Aerogel Technologies w 2015 roku wypuścili na rynek tablet Nexus 7. Było to pierwsze urządzenie mobilne wyposażone w obudowę z aerożelu. Dzięki temu jego waga zmalała o 24 g, względem zastosowania tradycyjnych materiałów.