12. Juli 2019
DLRmagazin 161: Forscherin Prof. Barbara Milow im Porträt

Su­per-Werk­stoff Ae­ro­gel: Luf­tig-leicht und wan­del­bar

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Die DLR-Wissenschaftlerin Prof. Barbara Milow und der Super-Werkstoff
Die DLR-Wis­sen­schaft­le­rin Prof. Bar­ba­ra Mi­low und der Su­per-Werk­stoff
Bild 1/3, Credit: ©DLR

Die DLR-Wissenschaftlerin Prof. Barbara Milow und der Super-Werkstoff

Ae­ro­ge­le sind äu­ßerst wand­lungs­fä­hig und da­mit für vie­le un­ter­schied­li­che An­wen­dun­gen in­ter­essant, et­wa als Dämm­stoff, Fil­ter­ma­te­ri­al oder auch als Im­plan­tat. Das macht die­se luf­tig-leich­ten Ma­te­ria­li­en für die DLR-For­sche­rin mit ei­ner Pro­fes­sur an der Uni­ver­si­tät zu Köln so fas­zi­nie­rend
Biopolymer-Aerogel
Bio­p­o­ly­mer-Ae­ro­gel
Bild 2/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Biopolymer-Aerogel

Die ku­gel­för­mi­ge Struk­tur und der fa­ser­ar­ti­ge Auf­bau ge­hö­ren ei­nem neu­ar­ti­gen Bio­p­o­ly­mer-Ae­ro­gel, das DLR-Wis­sen­schaft­le­rin­nen und -Wis­sen­schaft­ler im La­bor­ex­pe­ri­ment ent­wi­ckel­ten. Die­se Struk­tur ent­steht, in­dem Chi­to­san ei­ne Ver­bin­dung mit ei­nem Du­ro­plast ein­geht.
Superflexibles Kunststoff-Aerogel
Ein su­per­fle­xibles Kunst­stoff-Ae­ro­gel
Bild 3/3, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Ein superflexibles Kunststoff-Aerogel

Ein fle­xi­bles gum­mi­ar­ti­ges Ae­ro­gel aus der Fa­mi­lie der Si­li­ca-ba­sier­ten Ae­ro­ge­le. Die­ser Ae­ro­gel­typ eig­net sich zur ther­mi­schen Däm­mung oder Ab­schir­mung und kann bei Tem­pe­ra­tu­ren bis zu 500 Grad Cel­si­us ein­ge­setzt wer­den – zum Bei­spiel zur Ka­bi­ne­ni­so­la­ti­on von Flug­zeu­gen.

Ob für das Elektroauto oder den Next-Generation-Train – wenn es nach Professorin Barbara Milow geht, dann sollen Aerogele, hochporöse und federleichte Materialien, in vielen Bereichen bald nicht mehr wegzudenken sein. Die DLR-Wissenschaftlerin entwickelt mit ihrer Arbeitsgruppe den Werkstoff für unterschiedlichste Einsatzgebiete.

Beitrag aus dem DLRmagazin 161

Barbara Milow konzentriert ihren Blick auf ein Becherglas, beobachtet beim Versuch jedes Detail. Sie mag das gespannte Warten darauf, ob das Experiment gut gelaufen oder eben auch schief gegangen ist. Genau weiß man immer erst hinterher, ob ein Versuch ein Erfolg war oder ein vermeintlicher Misserfolg, aus dem man dennoch Entscheidendes für die weitere Forschung lernen kann. „Das hat mich immer schon fasziniert“, sagt Milow, „... die chemische Synthese, die Frage, wie Stoffe und ihre Eigenschaften zusammenhängen und das Entwickeln ganz neuer Materialien.“ Die Wissenschaftlerin mit einem Lehrstuhl für Nanostrukturierte Zelluläre Materialien an der Universität zu Köln und ihre Kollegen im DLR-Institut für Werkstoff-Forschung können sich heute freuen. Der Versuch ist nach Plan gelaufen. Die Gelation der Silica-Lösung ist deutlich zu erkennen. Und eigentlich will Milow auch nichts dem Zufall überlassen. Dennoch, es läuft nicht immer alles wie erwartet, wenn sie und ihr Team von Technikern, Ingenieuren und Wissenschaftlern im Labor Aerogele im wahrsten Sinne des Wortes nach neuen Rezepturen kochen.

Aerogele sind hochmoderne Werkstoffe. Im Wesentlichen bestehen sie aus Luft, die von einer feinen und festen Struktur umschlossen wird, ähnlich einem Schwamm. Als Feststoff werden unterschiedliche Materialien wie Silicate, Kunststoffe oder Metalloxide verwendet. Ihr Anteil im fertigen Aerogel beträgt zwischen einem und zwanzig Prozent. Die Dichte des Aerogels ist sehr gering, das macht das Material äußerst leicht. Einer von vielen Gründen, warum der Werkstoff für Barbara Milow besonders reizvoll ist. „Prinzipiell ist der Herstellungsprozess recht einfach“, sagt sie. "Man gibt die Komponenten zusammen, sie gelieren, man trocknet das Gel und erhält ein Material, das unfassbar viele Anwendungsmöglichkeiten hat. Es kann einerseits die elektrische Leitfähigkeit des Kohlenstoffs haben und andererseits durch die nanoporöse Struktur auch ein guter Dämmstoff sein. Solche unterschiedlichen Eigenschaften in einem Stoff – das gibt es sonst nirgends."

Seit Ende 2018 leitet die Wissenschaftlerin im Institut für Werkstoff-Forschung des DLR die Abteilung Aerogele und Aerogelverbundwerkstoffe – mit 32 Mitarbeitenden die größte Forschungsgruppe dazu in Deutschland. Zusammen arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, den Gelierungsprozess des Materials besser zu verstehen und mögliche Anwendungsfelder zu erschließen: Sogenannte Silica-Aerogele sind sehr stabil bei extremen Temperaturen und werden für die akustische und Kälte-Dämmung von Flugzeugkabinen oder Treibstofftanks entwickelt.

Duroplast-Aerogele sind hervorragende Dämmmaterialien: weder toxisch noch brennbar. Biopolymer-Aerogele besitzen eine innere Struktur, die Filz ein wenig ähnelt, und sie werden für die Adsorption von Luftschadstoffen, Luftfeuchtigkeit oder oxidationsempfindlicher Stoffe genutzt. Kohlenstoff-Aerogele wiederum können aufgrund ihrer definierbaren Nanostrukturen zu neuartigen Batteriekonzepten beitragen oder auch Gießprozesse optimieren. In Kombination mit anderen Materialien lassen sich ihre positiven Eigenschaften zu innovativen Aerogel-Verbundwerkstoffen kombinieren. In Zusammenarbeit mit der Universität Duisburg-Essen entwickelten die DLR-Wissenschaftler auch einen Aerogel-Beton, der nicht nur sehr leicht ist, sondern auch hervorragend die Wärme dämmt. „Die Möglichkeiten, die wir heute sehen, sind fast grenzenlos und es kommen immer neue Anwendungsfelder dazu. Das ist schon erstaunlich, wenn man bedenkt, dass bereits vor fast 90 Jahren mit der Forschung an Aerogelen begonnen wurde“, bemerkt Milow.

Gut Ding braucht Weile

In den Dreißigerjahren beschäftigten sich Wissenschaftler damit, Flüssigkeit aus nassen Gelen – auch Hydrogele genannt – zu entfernen. Als Aerogele betrachtete man alle Materialien, die aus nassen Gelen hergestellt wurden und die nach dem Trocknen die netzwerk- und porenartige Struktur des Hydrogels im Inneren des Werkstoffs aufwiesen. Für die Forscher der ersten Stunde war es äußerst schwierig, die Kräfte, die während der Trocknung auf die Porenwände im Innern des Werkstoffs wirken, so zu kontrollieren, dass die Struktur des Gels nicht zerstört wurde und die Poren während des Trocknens nicht kollabierten. Der Trocknungsprozess nahm in den Anfängen etwa eine Woche Zeit in Anspruch. An eine industrielle Verwertung war so nicht zu denken. Erst in den Sechzigerjahren gelang es, die Herstellungsweise gravierend zu vereinfachen und damit auch zu beschleunigen. Man erkannte, dass in nassen Gelen die Porenflüssigkeit im Wesentlichen aus Methanol bestehen konnte. Auch entdeckten die Forscher, dass sich Materialeigenschaften wie die netzwerkartige Struktur der Aerogele über den pH-Wert steuern lassen.

In dieser Zeit wurde Barbara Milow gerade erst geboren. Während Firmen wie BASF, Hoechst und Henkel in den Achtzigerjahren verschiedene Lösungen für nasse Gele nutzten, um Aerogele mit unterschiedlichsten Eigenschaften zu entwickeln, entschied sie sich nach einem Praktikum im chemischen Untersuchungsamt Trier für ein Chemiestudium an der Universität zu Köln. „Um zu promovieren, bin ich an das DLR-Institut für Raumsimulation gegangen und habe dort Experimente mit Flüssig-Flüssig-Systemen in Schwerelosigkeit gemacht. Ich hatte sogar das Glück, als Doktorandin die Bodenbegleitforschung zur D2-Weltraummission unterstützen zu dürfen, das hatten sich schon viele meiner Vorgänger gewünscht“, erzählt Barbara Milow und ergänzt: „Mit Aerogelen hatte ich zu dieser Zeit wenig zu tun.“

Doch eine kleine Arbeitsgruppe am Institut arbeitete mit dem interessanten Werkstoff. Bis Barbara Milow selbst sich intensiv mit Aerogelen beschäftigte, sollte es noch zehn Jahre dauern. So lange arbeitete sie am heutigen Institut für Solarforschung des DLR an der Entgiftung von Abwasser mit Hilfe von Sonnenenergie. „Als mein Arbeitsvertrag auslief, brauchte ich noch ein Zeugnis von meinem alten Institut und kontaktierte meinen ehemaligen Kollegen“, erinnert sie sich. Er hatte sich mit seiner Gruppe schon während meiner Promotion mit Aerogelen beschäftigt. Ich schrieb ihm ‚Lorenz, ich brauche ein Zeugnis oder einen Job‘ und er antwortete mir ‚Ich habe beides für dich‘, das war
2005. Von da an haben mich die Aerogele nicht mehr losgelassen.“

Forschung im Ungewissen

Zu diesem Zeitpunkt stand die Gruppe vor existenziellen Fragen: Auf der einen Seite eröffneten sich Finanzierungsmöglichkeiten für ihre Projekte, andererseits sollte die Arbeitsgruppe nach einem Wechsel in der Institutsdirektion aufgelöst werden. „Wir konnten natürlich nicht den Kopf in den Sand stecken, also haben wir richtig losgelegt, um das Thema unübersehbar aufzubauen“. Um den Produktionsprozess zu erforschen und weiterzuentwickeln, besuchte das Team zahlreiche Gießereien in Deutschland. Nach und nach erschlossen die DLR-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler die unterschiedlichsten Anwendungsfelder für ihre Werkstoffe. Beispielsweise entwickelte die Arbeitsgruppe Aerogelstrukturen als Modellsysteme für Knochenimplantate. Heute werden in ihrem Arbeitskreis an der Universität zu Köln Implantate aus Biopolymer-Strukturen hergestellt und so weit entwickelt, dass sie nach der Implementierung ins Gewebe nicht abgestoßen werden.

Dabei ist es für Barbara Milow und ihr Team wichtig, Synthesen mit giftig wirkenden Stoffen durch andere Prozesse zu ersetzen. „Die Chemikalien, die wir nutzen, sind – außer Formaldehyd – alle umweltfreundlich. Immer suchen wir nach Stoffen, mit denen man nachhaltig arbeiten kann.“ Dabei geht die Gruppe durchaus auch unorthodoxe Wege: „Einmal haben wir zur Herstellung der Aerogele Zimtaldehyd benutzt. Daraufhin roch das ganze Labor weihnachtlich. Das hat sich aber leider in den geforderten Konzentrationen als noch schädlicher herausgestellt.“

Eine ambitionierte Vision

„Zunächst war ich skeptisch, ob die Mannschaft zusammenhält, ob alles klappt und ob ich die Finanzierung sicherstellen kann. Ich schrieb viele Anträge. Aber es hat besser funktioniert, als ich zu hoffen gewagt hatte und heute platzen wir aus allen Nähten.“ Inzwischen hat die Leiterin Themengebiete an die nächste Generation übertragen. Heute arbeitet Barbara Milow mit ihrer Abteilung an Bauteilen für alle Forschungsbereiche des DLR. Aktuell entwickeln sie ein Material für den Flugzeugrumpf. Es soll verhindern, dass dieser bei langen Flügen vereist. Die hydrophoben, also wasserabweisenden Aerogele sollen vermeiden, dass sich Wasser anlagert und kiloschwere Eisschichten bildet.

„Mein Traum ist ein eigenes Aerogel-Kompetenzzentrum hier im DLR, in dem wir Prototypen und Kleinstserien von neuen Rohstoffen und Bauteilen produzieren können“, schwärmt die Forscherin. Dort sollen auch ihre Mitarbeitenden der Universität zu Köln arbeiten können, an der Milow jüngst zur Professorin berufen wurde. Und
darauf ist sie stolz. Wenn sie dann von zukünftigen Projekten und neuen Anwendungsfeldern spricht, merkt man, wie begeistert sie ist. Freilich ist das alles viel Arbeit und vielleicht hätte sie sich auf ein oder zwei Themenbereiche beschränken können. Doch da schüttelt Barbara Milow den Kopf: „Kleinhalten ist nicht so mein Ding.“

 

Grafik Herstellung von Aerogelen
Grafik zur Herstellung von Aerogelen.
Dieser Prozess beinhaltete mehrere Schritte. Besonders kritisch ist, die Aerogele so zu trocknen, dass ihre innere Struktur nicht leidet.
Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Wie trocknen Aerogele?

Aerogele so zu trocknen, dass ihre innere Struktur nicht leidet, ist ein entscheidender Punkt und schwierig. Die Lösung liegt in der sogenannten überkritischen Trocknung. Dabei werden Druck und Temperatur so weit erhöht, dass die Dichte von flüssiger und gasförmiger Phase, zwei der drei klassischen Aggregatzustände, sich angleichen. Diese homogene Phase macht aus dem Fluid ein superkritisches Fluid. Durch das Zusammendrücken der Moleküle entsteht eine Flüssigkeit ohne Grenzflächenspannungen, es wirken also keine Kapillarkräfte auf die Porenstruktur. Beim Trocknen schrumpft damit das Gel nicht, sondern behält annährend die Form und Struktur des nassen Gels, wird aber zum Aerogel.

Aerogele und Aerogel-Verbundwerkstoffe

  • Biopolymer-Aerogele bestehen aus natürlich vorkommenden Makromolekülen wie Cellulose, Chitin oder Carrageen. Nanometerdünne Fasern, die untereinander chemisch gebunden sind, verleihen dem Werkstoff Stabilität. Aufgrund dieser filzartigen Struktur eignet er sich gut als Filter, beispielsweise zur Regulation der Luftfeuchtigkeit in Flugzeugkabinen, aber auch zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid.
  • Duroplast-Aerogele sind leicht, wärme- und schalldämmend. Entsprechend interessant sind sie für den Bau von Fahrzeugen, Zügen und Flugzeugen oder auch als Alternative zu Styropor. Je nach Trocknungsvorgang werden sie spröde bis super-flexibel. Ihre Basis bildet eine wässrige Resorcin-Formaldehyd-Lösung. In Kombination mit anderen Aerogelen – beispielsweise auch mit Silica-Aerogel-Granulaten – entstehen Verbundwerkstoffe mit besseren thermischen und mechanischen Eigenschaften.
  • Kohlenstoff- und Siliziumoxicarbid-Aerogele entstehen bei der thermischen Behandlung von duroplastischen, biopolymerbasierten oder hybriden Aerogelen. Sie sind hoch temperaturstabil und finden in Gießereien im Sandgussverfahren Einsatz. Dank ihrer großen inneren Oberflächen nehmen sie die Gase auf, die beim Gießvorgang entstehen, und verhindern so Gussteildefekte wie Gasblasen, nicht-metallische Einschlüsse oder Sandanhaftungen. Das DLR arbeitet daran, ihren Herstellungsprozess vom Labor- in den Technikumsmaßstab zu überführen.
  • Silica-basierte Aerogele sind in der Aerogel-Familie am besten untersucht. Anwendung finden sie wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit als Dämmstoff, aber auch als Partikel in der Kosmetik. In den letzten Jahren entwickelten Forscher eine neue Variante: weiche, flexible Aerogele, die bei Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius stabil bleiben. DLR-Wissenschaftler arbeiten an neuen Rezepturen zu deren weiterer Verbesserung

Der Beitrag stammt aus dem DLRmagazin 161. Sie erhalten das DLRmagazin im Abo auch kostenfrei nach Hause geliefert. Hier finden Sie alle Ausgaben des DLRmagazins. Der Autor Dr. Frank Seidler ist am DLR-Institut für Werkstoff-Forschung unter anderem verantwortlich für Marketing und Kommunikation.

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