Nanotechnológie na zatepľovanie
V súčasnosti pri neustále rastúcich cenách energií sa problematika úspory nákladov na vykurovanie stáva čoraz naliehavejšia. Bežné spôsoby zateplenia (polystyrén, minerálna vata) nie vždy vyhovejú predstavám riešenia tohto problému či už z hľadiska ceny, náročnosti aplikácie, prípadne priestorových nárokov.
Dnes už na trhu energetických úspor existuje niekoľko alternatív s tenkou vrstvou, ktoré na základe rôznych prístupov sľubujú tepelné úspory. Vo väčšine prípadov ide o odraz tepla - teda izoláciu proti prestupu tepla žiarením. Najznámejším a najpoužívanejším príkladom sú rôzne hliníkové fólie.
Na podobnom princípe - odraze tepla fungujú aj čoraz známejšie nátery, ktoré obsahujú sklo-keramické guličky. Tieto odrážajú tepelné žiarenie späť do miestnosti pri zachovaní dekoračného a ochranného efektu bežných farieb. Energetický prínos týchto riešení je obmedzený pomerom tepelných strát prameniacich z prechodu tepla žiarením, ktorý sa odhaduje na 20 - 30 % z celkových tepelných strát pri bežných stavebných konštrukciách. Preto sa v stavebníctve odporúča ich použitie v kombinácii so štandardnými tepelnými izoláciami.
Aerogély - najlepšie známe izolačné materiály
Firma Industrial Nanotech, výrobca výrobkov Nansulate, zvolila iný prístup. Zamerala sa na komerčné využitie aerogélov - najlepších známych izolačných materiálov, ktoré majú 2 - 4 krát lepšiu tepelno-izolačnú schopnosť ako bežné materiály.
Aerogél je materiál známy od 30-tych rokov 20. storočia. Vyznačuje sa veľmi hustou, ale pritom veľmi jemnou vnútornou štruktúrou, pričom 95 až 99 % jeho objemu tvorí vzduch. Ak by sa jeho vnútorná štruktúra rozvinula do roviny, 1 gram tohto materiálu by pokryl plochu futbalového ihriska. Hrúbky jednotlivých stien sa pohybujú len v nanometroch (1 nanometer je 1 milióntina milimetra). Výnimočné tepelno-izolačné vlastnosti aerogélu sú vo vedeckej obci dobre známe, ale len v posledných rokoch bola zvládnutá technológia jeho výroby tak, aby sa dala použiť v masovom meradle pri rozumných obstarávacích nákladoch.
Aerogél sa môže vyrobiť z rôznych vstupných materiálov, ale najčastejšie sa na jeho výrobu používa kremík alebo uhlík. Ak sa použije kremík, získa sa aerogél s najlepšou odolnosťou voči prestupu tepla vedením. Pri použití uhlíka, materiál vyniká výbornými izolačnými vlastnosťami proti prestupu tepla žiarením.
Firma Industrial Nanotech vyvinula pre Nansulate svoj vlastný materiál s názvom Hydro-NM-Oxid, ktorý je kombináciou aerogélov na báze kremíka a uhlíka. Táto kombinácia bola zvolená tak, aby poskytovala optimálny tepelno-izolačný výkon v teplotách od - 40 až do 200 °C. Jednotlivé častice aerogélov boli následne ošetrené nanovrstvou, ktorá im dodala silné hydrofóbne (vodoodpudivé) vlastnosti a výborne ich chráni pred poveternostnými vplyvmi. To všetko sa podarilo pri dodržaní vynikajúcej paropriepustnosti materiálu. Následne boli tieto častice zmiešané spolu s akrylátovými živicami a vodou a vytvoril sa materiál, ktorý svojou konzistenciou a spôsobom nanášania pripomína farbu.
Štruktúra aerogélu je taká jemná, že ním dokáže prestúpiť svetlo. Keďže 70 % suchého filmu, ktorý vznikne po nanesení Nansulate, je tvorený aerogélmi, Nansulate je po aplikácii takisto priehľadný.
Ako funguje princíp tepelno-izolačných vlastností pri náteroch Nansulate
Prestup tepla sa uskutočňuje troma spôsobmi - vedením, prúdením a žiarením. Nansulate účinne izoluje proti všetkým trom spôsobom.
Vedenie.
Z bežného života tento spôsob poznáme, keď sa napríklad chytíme teplého telesa. Vtedy prestup tepla vnímame tak, že nás tento predmet v danom mieste zohrieva.
Z fyzikálneho hľadiska je prestup tepla vedením v tuhých látkach procesom odovzdávania kinetickej energie rýchlejšie kmitajúcich molekúl molekulám s nižšou kinetickou energiou - kmitaním tak, aby bola dosiahnutá rovnováha.
V prípade materiálu Nansulate bránia prestupu tepelnej energie vedením malé rozmery spojov medzi časticami materiálu, ktoré vytvárajú tepelnú cestu, a ďalej pevné častice obsiahnuté v štruktúre náterového materiálu, pozostávajúce z veľmi malých častíc prepojených v trojrozmernej sieti s veľkým množstvom "slepých uličiek". Preto sa tepelný prestup vedením uskutočňuje cez veľmi komplikované bludisko a nie je veľmi efektívny.
Prúdenie.
Ide o proces v kvapalinách a plynoch, ktorý poznáme dobre z praxe - napr. voda v hrnci sa zohreje, pretože teplá voda s nižšou hustotou zo dna nádoby prúdi navrch, a tým sa voda premiešava a zohreje podstatne skôr, ako keby dochádzalo len k prestupu tepla vedením. To isté platí pre plyny, teda aj vzduch. Prenos tepla prúdením ovplyvňuje aj tepelno-izolačné vlastnosti pevných materiálov, pretože tieto obsahujú vždy určité množstvo vzduchu. Bežné tepelné izolácie obsahujú veľmi vysoký podiel vzduchu, pretože vzduch je veľmi dobrý izolant proti prestupu tepla vedením. Problém prestupu tepla prúdením riešia tým, že sa skladajú z veľkého množstva malých "buniek", medzi ktorými je výmena vzduchu obmedzená. Nansulate rieši tento problém podobne, ale množstvo týchto buniek je podstatne väčšie a takisto medzery medzi nimi sú podstatne menšie ako u bežných izolačných materiálov. Prenos tepla prúdením je tak prakticky eliminovaný. Vďaka tomu je Nansulate podstatne lepší izolant ako by jeho tenká hrúbka nasvedčovala.
Žiarenie.
Tento spôsob prenosu tepla poznáme z praxe - napr. ako slnečné žiarenie alebo sálanie radiátorov. V tomto prípade ide o prenos energie prostredníctvom elektromagnetického vlnenia - tepelného žiarenia, ktoré sa šíri v dôsledku rozdielnych teplôt telies. Všetky objekty súčasne emitujú energiu zo svojho povrchu a absorbujú energiu zo svojho okolia. Pomer prenosu tepla žiarením prudko rastie s teplotou a môže byť v niektorých prípadoch rozhodujúcim mechanizmom prenosu tepla. Tento fakt si uvedomujú aj výrobcovia bežných izolácií a používajú pri ich výrobkoch rôzne postupy, ako zlepšiť ich izolačné vlastnosti proti prestupu tepla žiarením. Sú to predovšetkým rôzne reflexné fólie (izolácie z minerálnej vlny obalené hliníkovou fóliou) alebo sa používa pri ich výrobe do rôznej miery uhlík (sivý polystyrén od firmy BASF), ktorý je jeden z najlepších absorbentov tepelného žiarenia. Keďže Hydro-NM-Oxid je zo značnej časti tvorený uhlíkom, jeho absorpcia tepla je vynikajúca. Vďaka kombinácii izolačného efektu proti všetkým trom spôsobom prenosu tepla je Nansulate prvou izoláciou s tenkou vrstvou, ktorá získala certifikát proti prestupu tepla vedením, keď je napr. zdokumentované, že múr s koeficientom tepelnej priepustnosti k (U)= 1,62 Wm-2K-1 mal po aplikácii k (U)= 1,25 Wm-2K-1. Teda R hodnota troch vrstiev pri hrúbke 0,12mm predstavuje 0,1791.
Nansulate vďaka odolnej vnútornej štruktúre dokáže, na rozdiel od bežných izolácií, v závislosti od aplikácie dokonca garantovať tepelno-izolačné vlastnosti počas 5 -10 rokov. Bežné izolácie, ak nie sú dokonale chránené, svoje vlastnosti rýchlo strácajú a údaje prezentované ako výsledky meraní v laboratórnych podmienkach v praxi málokedy dosahujú, takže reálne sa nedá očakávať, že budú zhodné aj po 5 rokoch používania.
AEROGEL: v podstatě vůbec nic! 
Pátek, 14 květen 2004 
Zmrzlý kouř, tak trochu vůbec nic nebo osahatelný hologram. Jména patří jediné látce, která spatřila světlo světa již ve třicátých letech. Drží 6 oficiálních světových fyzikálních rekordů ve svých vlastnostech a přes své neuvěřitelné kvality jej laická veřejnost zná jen minimálně. Neprávem.
Aerogel připomíná na první pohled hologram ze sci-fi filmu. Je to však nikoliv iluze, ale skutečný, tepelně extrémně izolující materiál s nejnižší známou hustotou mezi pevnými látkami. Z 99,9% svého objemu obsahuje vzduch a zbytek tvoří z 0,1% oxid křemičitý. Tento poměr je nezbytný k pochopení (nebo možná nepochopení) jeho naprosto jedinečných vlastností.
Neusněme však na vavřínech a pokračujme dále světem netušených vlastností tak nicotného kousku pevné hmoty. S hustotou tisícinásobně nižší než má sklo, jej v izolačních schopnostech dokáže až čtyřicetinásobně předstihnout. Blok aerogelu o velikosti průměrného dospělého člověka váží jen zhruba půlkilogram a přitom na sobě udrží trabanta! A proč jej ještě nemáme doma? Je příliš křehký, v pozemských podmínkách se nedá vyrobit naprosto průhledný a je také dost drahý.
Důvod, proč se však nepoužívá v průmyslových malovýrobách je také ovšem v nízké informovanosti. Posledních pět let je ovšem hvězdou kosmického průmyslu.
Na počátku byl gel
Otcem aerogelu je Samuel Stephens Kistler, americký vědec. K prvnímu aerogelu došel nápadem vysušit nějakým způsobem kapalný gel tak, aby neztratil svůj tvar. Po mnoha pokusech a bádáních dospěl k úspěchu až použití metody superkritického vysoušení. První aerogel spatřil světlo světa roku 1931. Princip je na popis velmi prostý. Za obyčejného vysoušení se struktura gelu vypařování kapalné složky poruší. Bylo teda za potřebí zvednout tlak v komoře, kde vysoušení probíhalo. A to tak, aby se tlak vyrovnal tlaku nasycených par kapaliny. Ani poté však nebyl postup zcela úspěšný. Kistler však použil mezikrok, kdy kapalinu dosud v podobě vody nahradil alkoholem.
Z dlouhé roky se podařilo vyvinout aerogely s mnoha vlstnostmi. Aerogely pro zachycování čerenkovova záření, aerogely magnetické, neprůhledné izolační aerogely a mnoho dalších. Pole experimentování je pro ně otevřeno do kořán. Tak proč se teda nevyrábí a nemáme je doma?
Co je to za látku?
Je třeba si uvědomit, že aerogel je v podstatě křemíková struktura která má z nejjednodušeji podaného pohledu nejblíže sklu. Při své nízké hustotě je však o to křehčí. V tahu ani smyku tedy není příliš odolný. Díky křemíkové struktuře však odolává tlaku. Pokud se vám však někdy dostane do rukou, musíte na něj velmi opatrně.
Jeho výroba však se sklem společného nemá již zhola nic. Svůj výrobní původ má (jak bylo zmíněno) v gelu, který se za vysokého tlaku vysuší o všechnu kapalnou složku. To co zůstane je křemičitá struktura, jakési klastry oxidu křemičitého spojené v obrovské koule. Přičemž pojem „obrovská koule“ musí být uvažován z hlediska měřítek molekul. Z hlediska fyzikálních vlastností jsou tyto struktury velmi malé, řádově několik nanometrů. Zde vězí klíč k pochopení jeho nesmírných vlastností. Důsledkem tvaru a velikosti těchto stavebních kamenů aerogelu je obrovský vnitřní povrch. Tedy poměr mezi povrchem vnitřní struktury a jejím objemem. Jeden gram aerogelu má svůj specifický povrch až 1000m2! Dá se tak použít jako absorpční materiál s dalšími ohromnými fyzikálními vlastnostmi.
Jak by to vypadalo mít aerogel doma?
Aerogel bude zajisté časem součástí našich domovů stejně tak jako třeba goretexové oblečení. Cena některých komponent z aerogelu se již nyní přiblížila do dostupných cenových hladin, především díky poměru cena/výkon. Z místnosti izolované jen několik milimetrů silným aerogelovým těsněním můžete směle zahodit topení. A to i v zimě. Sami si totiž místnost během několika desítek minut vytopíte svou tělesnou teplotou. Rozhodně nebude moci použít aerogel na skleník, teplota v něm v létě nebude vyšší než je teplota hlíny na zemi. Na druhou stranu, pomyslný slunečník z tenkého plátu aerogelu vytvoří nepředstavitelnou událost. I když bude na vás skrze tento průhledný kouzelný materiál pražit Sluníčko, budete si připadat jako ve stínu.
Svůj význam má také v akustice. Aerogel zadrží na velmi krátké dráze obrovské množství postupného vlnění. Rychlost zvuku v aerogelu je třikrát nižší než ve vzduchu.
Zdá se tedy, že hlavní možnosti využití aerogelu v domácnosti jsou jeho izolovaní vlastnosti. V průmyslu, elektrotechnice, lékařství, biologii a vesmíru k němu přibývají desítky dalších.
Na poli vědy se již aerogel aplikuje, do našich domácností si na něj zatím musíme počkat. Nejbližší výrobce ve Švédsku je schopný produkovat měsíčně maximálně 3 – 6 m2 a nyní prodává pouze vzorky. Plát o velikosti 55 x 55 cm přijde na 125€ (www.airglass.se).
Aerogel v kosmu
Aerogel zazářil nejvýrazněji v kosmu. Sklidil dva obrovské úspěchy v kosmonautice. Pokaždé v jiné roli.
Od roku 1999 hraje hlavní roli v misi Americké kosmické agentury (NASA) a Laboratoří tryskových pohonů (JPL). Do kosmu totiž tyto dvě organizace vyslali sondu s úkolem sesbírat vzorku kometárního prachu. Sonda příznačně pojmenovaná StarDust by se měla vrátit na Zemi přespříští rok a vše co nasbírá doveze zakonzervované v aerogelu.
Letos v lednu sonda SturDust těsně minula kometu Wild2 a během tohoto průletu rozevřela lapače monetárního prachu. Ty se neskládali z ničeho jiného než obyčejného křemíkového aerogelu. Aerogel má totiž tu vlastnost, že díky dobré absorpci a struktuře „otevřených klastrů“ dokáže dobře přenášet mechanickou energii ven ze svého nitra. Zrníčka monetárního prachu tak jsou polapena tak, jako by padla do peřin. Jedině aerogel totiž svými vlastnostmi dokáže tento prach popadnout tak něžně, že je nijak nezdeformuje. A to i přesto, že zrnka narážela do aerogelových lapačů až 12 krát rychleji než projektily ze samopalu.
Druhá významná mise, ovšem mediálně neznámá, se odehrála spolu s významnou misí sondy PathFinder. Vozítko několik dní křižovalo povrch Marsu. Nebylo však vybaveno žádným zdrojem tepla a to i přesto, že v teplotách až – 100°C by elektronika vozítka nemohla rozhodně pracovat. PathFinder byl ovšem izolován právě aerogelem, který uvnitř přístroje udržoval pokojovou teplotu, a to jen udržováním tepla emitovaného mikroelektronikou vozítka.
Aerogel je dnes v kosmonautice používán velmi často a mnohé další mise by se bez něj obešly jen stěží. V aeronautice tak již své pevné místo má.
Chcete si sáhnout?
Vzorky aerogelu se dají objednat na několika místech za „symbolické poplatky“. Nejblíže je nám výše zmíněná švédská firma (www.airglass.se). Největším průmyslovým výrobcem je zřejmě firma Aspen Aerogels (www.aerogel.com), vzorky je však také možno objednat na University of Wisconsin, na stránkách Zero Gravity Group (www.cae.wisc.edu/~aerogel/index.html).
Fyzikální vlastnosti AEROGELŮ:
hustota 0,003÷0,35 g/cm3, typicky 0,1 g/cm3
podíl pevné látky 0,13÷15 %
Youngův modul pružnosti 106÷107 N/m2
napětí v tlaku 16 kPa
rychlost zvuku 100 m/s
velikost mikropórů 2÷50 nm
teplotní tolerance Od -200°C do 500°C
teplota tání 1200°C
koef. tep. roztažnosti 2.0÷4.0×10−6
