Silica-Aerogelplatten
Aerogele sind offenporige, nanostrukturierte Werkstoffe, die aus wässrigen Lösungen durch Gelation (Sol-Gel-Verfahren) und geeignete Trocknungsverfahren gewonnen werden. Übrig bleiben Festkörper mit faszinierenden Eigenschaften. Sie haben eine geringe Dichte, eine hohe innere Oberfläche, eine hohe Schallabsorption sowie eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und können so zum schonenden Umgang von natürlichen Ressourcen wie Energie aus Erdgas und Erdöl beitragen. Aerogele können spröde wie Keramik oder flexibel und elastisch wie Gummi sein. Je nach Ausgangswerkstoff liegt ihre Einsatztemperatur zwischen -200 °C bis 1400 °C. Aerogele sind funktionalisierbar, sie können hydrophil oder hydrophob seib, aber auch elektrisch leitfähig gemacht werden. Aerogele können, müssen aber nicht transparent sein. Alle Aerogele haben eine hohe innere Oberfläche von 100 bis zu 2000 m²/g.
Mögliche Anwendungen sind Superisolationsmaterialien in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, sowie in Gebäuden und als passive Wärmedämmung in Hochtemperaturanwendungen, supereffiziente Wärmepumpen, neuartige Filter zur Luftreinhaltung und Erzeugung eines guten Klimas in Fahrzeugen aller Art, ultraleichte, steife Funktionsmaterialien und umweltfreundliche Dämmstoffe.
Mikrostruktur eines sauer hergestellten spröden Duroplast-Aerogels
Seit circa 20 Jahren erforscht das DLR Aerogele auf Basis von Oxiden, Duroplasten, Biopolymeren und Kohlenstoff und Verfahren zu ihrer wirtschaftlichen Herstellung. Wärmeisolation wird zum Beispiel im Hausbau, bei Klimaanlagen, Wärmespeichern, Motoren, Auspuffanlagen, Industrie- und Haushaltsöfen, Kühlschränken und Gefriertruhen wesentlich durch den Einsatz poröser Materialien realisiert. Die Wärmeleitung über den Feststoff ist reduziert und die Luft im Porenraum weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Die heutigen Standardisolationsmaterialien haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Quarzglasaerogele (Silica-Aerogele) werden heute schon industriell als Granulate und getränkte Glasfaserfilze hergestellt.
Organische und anorganische Aerogele gehören zu den leichtesten Festkörpern überhaupt, leichter als polymere Schäume. Sie können bis zu 99,9% Porosität enthalten. Ihre Wärmeleitfähigkeit kann bei Zimmertemperatur Werte zwischen 0,005 und 0,02 W/Km annehmen. Sie sind damit die besten Isolationsmaterialien.
Oxydische Aerogele sind meist sehr fragil, d.h. sie sind spröde und brechen leicht unter Belastung und sind zerreibbar. Ihre Druck- und Scherfestigkeit ist gering. Aerogel und Aerogelverbunde mit Glasfasern haben eine unangenehme Haptik und stauben kräftig bei Berührung. Kunststoffaerogel aus Duroplasten und Biopolymeren haben all diese negativen Eigenschaften nicht, sind dafür aber auch nur bei Temperaturen unter 200°C einsetzbar. Alle bisherigen und gerade an den Markt drängenden aerogelbasierten Werkstoffe haben noch Mängel, die wir durch Forschung und Entwicklung an dieser neuen Werkstoffklasse beheben können.