Aerogel – ein Feststoff der Superlative

Der leichteste Festkörper der Welt birgt ein außergewöhnliches Potential, welches einige unserer größten technologischen Probleme lösen könnte.

Aerogele sind einzigartig in ihren Eigenschaften und lassen sich nach Belieben unterschiedlichen technologischen Ansprüchen anpassen. Die Besonderheit liegt in der Grundstruktur, welches ein Hybrid aus Gas und festem Material darstellt. Es beinhaltet ein Netzwerk aus unzähligen feinen Poren im Nanometerbereich (zwischen 2 und 100 nm), umrandet von einem soliden Baugerüst aus den gewünschten Elementen. Je nach Substanz kann aus einem Gel ein Festkörper hergestellt werden, der zu mehr als 99% aus Luft besteht, welcher die Fähigkeit besitzt Chemikalien wie Öl oder extrem schnell fliegende Partikel aus der Luft, dem Wasser und dem Weltall herauszufiltern, eine thermische Leitfähigkeit besitzt, aber gleichzeitig als beispielloser Dämmstoff einsetzbar, sowie atmungsaktiv und feuerfest ist. Ein derartiges Material sollte eigentlich zum Wundermaterial ernannt werden und in unserer Welt allgegenwärtig sein. Dies ist jedoch nicht der Fall, obwohl Aerogele bereits seit über 80 Jahren bekannt sind. Der Grund dafür liegt in der aufwendigen Herstellung, welche Aerogele zudem zu den teuersten Materialien der Welt macht – selbst der Goldpreis ist derzeit günstiger. Somit haben es Aerogele trotz ihrer unsagbaren Fähigkeiten nie zum richtigen Durchbruch geschafft. Lediglich große Konzerne, wie beispielsweise die Raumfahrtgesellschaft NASA, verwenden diese Festkörper in ihren Technologien.

Entdeckung

Im Jahre 1929 gelang es dem amerikanischen Chemiker Samuel Kistler nach langem Experimentieren einem Gel die gesamte Feuchtigkeit zu entziehen, ohne dabei die solide, aber hochporöse Grundstruktur zu zerstören. Anstatt Wasser waren die Poren des Gels nun mit Luft gefüllt, welches damit ein völlig neues Erscheinungsbild ergab.

Ein Standard-Aerogel besitzt ein Siliziumbaugerüst, welches das Gel wie festgefrorener blauer Rauch erscheinen lässt, wenn man es gegen einen hellen Hintergrund hält. Aus diesem Grund werden Aerogele heute des Öfteren als Frozen-Smoke-Gele bezeichnet.

Im Laufe der folgenden drei Jahrzehnte wurden Aerogele wegen ihrer potentiell vielfältigen Einsatzfähigkeiten von einer Firma namens Monsanto vermarktet. Die Herstellung, welche auf einem Prozess beruht, der als überkritische Trocknung bezeichnet wird, war allerdings sehr teuer, zeitaufwendig und nicht ganz ungefährlich. Daher verschwand das Interesse an Aerogelen zunehmend, bis in den 1980er Jahren ein neues Verfahren entwickelt wurde, welches die Herstellung vereinfachte und beschleunigte.

Aerogel-Varianten und Verwendung

Gele lassen sich aus verschiedenen Grundbausteinen herstellen, wobei die meisten aus Siliziumoxidmolekülen bestehen. Unzählige andere Elemente sind aber zur Herstellung verwendbar, wie z.B. Kohlenstoff, Polymere (z.B. Gelatine), Metalle (z.B. Kupfer und Gold) und Metalloxide (z.B. Eisenoxid). Die dadurch entstehende Vielfalt an Gelen bringt eine Unzahl an charakteristischen Eigenschaften mit sich, welche Aerogele zu den besten Baumaterialien werden lässt. Je nach Art des Grundgerüsts gibt es verschiedenfarbige Gele, welche sogar magnetisch wirken können.

Aufgrund der hohen Kosten sind Aerogele zurzeit hauptsächlich in der Bauindustrie, Raumfahrt und bei Silikonherstellern zu finden. Zu den bekannten Produkten gehören Neoprenanzüge, Feuerfeste Anzüge für Feuerwehrmänner, Fenster, Farben und Weltraumshuttles (www.aerogel.org).

Gerade Fenster gelten als schwerisolierbare Bestandteile eines Hauses. Mit dem Gebrauch von Aerogelen lässt sich auf Dauer jedoch Geld für Heizkosten sparen. Momentan sind die Hauptabnehmer aber ausschließlich große Konzerne, wie die NASA. Aerogele wurden zum Beispiel als Schutzschild um die Elektronik des Mars Rovers herum gebaut und dienten zudem als Auffangnetz für extrem schnell fliegende Partikel im Weltall, welche dann auf der Erde von NASA Mitarbeitern analysiert wurden (NASA).

Eigenschaften der Superlative

Aerogele sind die leichtesten Festkörper der Welt, welche im Durchschnitt gerade einmal dreimal schwerer als Luft sind. Im Jahre 2003 wurde in den USA ein Aerogel hergestellt, welches gar leichter als Luft ist und hat es somit als Festkörper mit der geringsten Dichte ins Guinnessbuch der Rekorde geschafft. Zudem ist die Übertragung von Schallwellen in keinem Festkörper geringer als in Aerogelen. Beachtlich ist außerdem die mechanische Stärke: Aerogele können das 500-4000-fache des eigenen Gewichts aushalten. Das Oberflächenareal, die thermische und elektrische Leitfähigkeit und viele andere Eigenschaften befinden sich in Extrembereichen und lassen sich durch das Verwenden verschiedener Materialien anpassen. Auch sind Farbe und Transparenz variierbar.

Derzeit ist das Interesse an Aerogelen groß und ihr Potential sehr wohl bekannt. Ihre Eigenschaften können schon jetzt durch verschiedene Verfahren erfolgreich verändert werden. Aerogele werden mit Sicherheit eine wichtige Rolle in der Zukunft der Technologie und Wissenschaft spielen und sie werden entscheidend für die Entwicklung einer umweltfreundlicheren modernen Technologie sein.

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