MaterialforschungLuft und Gelee dämmen Kleider und Kühlschränke

Schaumstoffe mit winzigen Lufteinschlüssen gab es bisher nur in hart und brüchig. Jetzt haben Forscher weiche und leichtere dieser Aerogele entwickelt. von 

Aerogele Luftgele Materialforschung Polyimide

Diese Illustration zeigt die Luft-Waben eines Aerogels.  |  © Reuters/Handout

Sie werden Daunen, Schaumstoffe und Mineralwolle ablösen: Aerogele. Diese Super-Dämmstoffe aus der Raumfahrttechnik gibt es bereits seit 80 Jahren. Doch erst jetzt haben sie es in unsere Haushalte geschafft.

Aerogele, das klingt erst einmal flüssig, wie Haargel oder Zahnpasta. So einen Zustand haben sie allerdings nur kurze Zeit, während des Herstellungsprozesses. Was am Ende verarbeitet wird, sind ausgehärtete Trocken-Schaumstoffe. Und die enthalten zu 99,9 Prozent nur eines: Luft. Ihre besonderen Fähigkeiten haben Aerogele, weil ihre unzähligen Poren mit winzigen Lufteinschlüssen gemeinsam eine sehr große Oberfläche bilden. Dadurch leiten sie kaum Wärme – wunderbar also zum Isolieren.

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In Kleidung oder Kühlschränken, wo es biegsame Dämmstoffe braucht, waren sie bisher allerdings nicht einsetzbar.

Biegsam und weich, statt knochentrocken

Dass Aerogele also bisher ziemlich trockenes Zeug waren, erschwerte ihre Verarbeitung jahrzehntelang. So starr und brüchig konnten sie zwar als vorgefertigte, harte Platten an Häuserwänden eingesetzt werden, nicht aber dort, wo es biegsame Dämmstoffe braucht: in Kleidung und in Kühlschränken.

Dazu müssten sie nämlich eingegossen werden und auf Dauer geschmeidig bleiben. "Auch alte Aerogele dämmen besser als manch ein aktueller Kühlschrank-Schaumstoff", sagt der Würzburger Experimentalphysiker Jochen Fricke. "Ihre Herstellung ist vergleichsweise teuer." Er kann sich die neuen weicheren Aerogele gut als Dämmstoff für stark isolierende, leichte Kleidung vorstellen.

Geschichte der Aerogele

1931 gelang es dem amerikanischen Chemiker Steven Kistler erstmals Schwämme herzustellen, die zu mehr als 99 Prozent aus Luft bestanden: Die ersten Aerogele. Ihre Struktur erinnerte an gefrorenen Rauch.

Aerogele sind dreimal leichter als Kork und zugleich widerstandsfähig: Sie können bis zum 2.000-fachen ihres eigenen Gewichtes tragen.

Durch die vielen Lufteinschlüsse isolieren sie gut – je nach Herstellungsprozess bis zu zehnmal besser als Mineralwolle. Herkömmliche Aerogele werden aus Kieselsäure hergestellt und sind nach dem Aushärten starr.

So entstehen sie

Zunächst wird Kieselsäure aufgelöst. In einem Gefäß lagert sich aus dieser Lösung dann das Gel ab. Unter starker Hitze und großem Druck verfestigt es sich dann.

Ähnlich werden auch moderne Aerogele gemacht – der Ausgangsstoff sind aber Polyimide. Diese widerstandsfähigen Kunststoffe lassen die fertigen Isoliermaterialien Temperaturen bis zu 300 Grad Celsius aushalten. Biegsam werden sie durch ein Herstellungsverfahren in dünnen Schichten statt als Block.

Entwickelt wurden die neuen, flexiblen Aerogele von Nasa-Forschern aus Ohio . "Wir haben Polyimide statt Kieselsäure verwendet", sagt die Chemikerin Mary Ann Meador , eine Forscherin aus dem Team. Polyimide sind extrem widerstandsfähige Kunststoffe, die auch große Hitze und starke Strahlung überstehen. Biegsam werden sie erst durch ein neues Herstellungsverfahren: Ähnlich wie Aluminium in Folien, werden sie als dünne, gummiartige Matten ausgerollt – und nicht mehr wie früher als Block hergestellt. "Das ist der Clou an den neuen Aerogelen", sagt Meador.

Aerogele könnten Daunen in Jacken ersetzen

Lei Zhai, der an der University of Central Florida an Nanomaterialen forscht, schätzt, dass die Aerogel-Matten in drei bis fünf Jahren auf den Markt kommen. "Vorausgesetzt, sie können günstiger hergestellt werden als heute." Auch für Thermo-Kleidung und als Füllstoff statt etwa Daunen sei der Hightech-Dämmstoff geeignet.

Auf der Jahreskonferenz des US-Chemikerverbandes ACS stellten die Nasa-Forscher noch ganz andere Anwendungsgebiete der leichten Luftgele vor.

Nächster Mars-Rover mit aufblasbarem Hitzeschild

In der Luft- und Raumfahrttechnik sind Dämmstoffe auf ähnlicher Basis nicht neu. Schon 1969 isolierten die Astronauten Armstrong, Collins und Aldrin während ihrer Mondmission Apollo 11 Kabel mit Kapton, einem Hightech-Isolierband aus Polyimiden.

Derzeit testen Raumfahrt-Ingenieure neue Aerogele, die in aufblasbaren Hitzeschilden von Raumfahrzeugen zusammen mit dem Kapton-Isolierband eingesetzt werden sollen. Der getestete Hitzeschild hat einen Durchmesser von drei Metern, kann aber auf 55 Zentimeter zusammengefaltet werden. Auch die Aerogel-Beschichtung lässt sich nun dank des neuen Herstellungsverfahrens entsprechend knautschen.

So können größere Hitzeschilde konstruiert werden, die weniger Platz an Bord von Raumfähren wegnehmen. Der nächste Mars-Rover könnte schon damit ausgestattet sein, sagen die Nasa-Forscher.

Leichte, gut isolierte Kühlschränke sparen Kosten

Auch Kühlschränke sollen mit den neuen Gel-Matten gedämmt werden. Bis Mitte der neunziger Jahre kamen dabei noch Schaumstoffe zum Einsatz, bei deren Herstellung klimaschädliches FCKW verwendet wurde. Ende der Neunziger wurden sie durch Polyurethan-Schäume ersetzt, die besser dämmten und umweltverträglicher waren.

2010 verbesserte der Kölner Materialwissenschaftler Reinhard Strey deren Eigenschaften derart, dass sie fünfmal so gut funktionierten wie ihre Vorgänger. Aerogele wären zwar immer schon die noch effizientere Variante gewesen, doch weil man sie nicht gießen konnte, war ihr Einsatz schwierig und teuer. Die modernen, flexiblen Schaumstoffe werden Kühlschränke leichter und deren Wände dünner machen. So bleibt mehr Raum für Lebensmittel und die Geräte verbrauchen weniger Energie zur Kühlung.

Leserkommentare
  1. auf Dauer biegsam sein und geschmeidig bleiben?
    Dass Sie besser sein können ok, aber warum soll eine starre Kühlschrankwand mit biegsam geschmeidiger Dämmung versehen werden?
    Auch wenn es im Artikel gleich gleich zweimal geschrieben steht ....

    Diese Superdämmstoffe aus der Raumfahrt gibt es bereits seit 80 Jahren? Welche Raumfahrt gab es 1932??

    2 Leserempfehlungen
  2. Wenn diese Dämmstoffe mit dem geschlossenen Porengerüst mit der Zeit infolge Luftfeuchtigkeit durch Erwärmen/Abkühlen Wasser einlagern, so bekommt man es nie wieder heraus und die Isolationswirkung ist dahin (s. Styropor unter undichten Dächern).

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  3. ist Neopren? Biegsam, elastisch, Lufteinschlüsse. Gibts schon lange.

    2 Leserempfehlungen
    • Lyaran
    • 15. November 2012 17:29 Uhr

    Ich vermute mal dass die meiste Wärme durch den Luftaustausch beim öffnen des Kühlschranks ind den Kühlraum dringt. Ob da eine teurere, in der Herstellung energieaufwändigere Dämmung so viel bringt?
    Interessant könnte die Anwendung für Autos mit Wasserstoff-Antrieb werden bei denen der Treibstoff flüssig gelagert wird. Aber dort wird das Material wie ich meine schon verwendet.

    Aber Anwendungen werden sich immer finden, schön.

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    Das kann ich bestätigen.
    Ich habe hier ein etwas älteres Modell stehen, das einen Höllenlärm macht, wenn es sich selbst wieder kühlt.
    Es Springt grob geschätzt einmal die Stunde an für ~10 Minuten. Auch wenn ich den Kühlschrank nicht anrühre.
    Selbst wenn es alle 2 Stunden wäre, man merkt es doch schon, nur sind die meisten Kühlschränke bei der Kühlung wohl leiser ^^

    • Flari
    • 16. November 2012 16:58 Uhr

    "Ich vermute mal dass die meiste Wärme durch den Luftaustausch beim öffnen des Kühlschranks ind den Kühlraum dringt. Ob da eine teurere, in der Herstellung energieaufwändigere Dämmung so viel bringt?"

    Luft lässt sich relativ leicht erwärmen oder abkühlen..
    Der tägliche Energiebedarf eines A+ Kühlschrankes entspricht rund der 1000fachen Energiedifferenz seines Luftinhaltes zwischen 5 und 25°C.

  4. 'Lei Zhai, der an der University of Central Florida an Nanomaterialen forscht, schätzt, dass die Aerogel-Matten in drei bis fünf Jahren auf den Markt kommen. "Vorausgesetzt, sie können günstiger hergestellt werden als heute."' Ja, genau das ist eben das Problem, sonst würden sie eben schon seit 80 Jahren massenhaft eingesetzt. Die Neuerung bezieht sich auf die Starrheit, aber teuer ist das Material immer noch. Vielleicht wird es bald kuschelig kostenintensive High-Tech-Schneeanzüge geben, aber elastische Kühlschränke wahrscheinlich eher nicht. Obwohl, wäre vielleicht mal ein Design-Gag.

  5. ... kann man noch so gut dämmen. Man muß ihn trotzdem regelmäßig öffnen!

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  • Schlagworte Europäische Union | Hugo Boss | Raumfahrzeug | Ohio
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