Aerogel – Smarte Lösung, große Wirkung?

Hintergrund: Aerogel und seine Eigenschaften

Der Wärmebedarf in Deutschland beträgt über die Hälfte des gesamten Endenergieverbrauchs. Dabei entfallen ca. 50 % auf das Heizen von Räumen, gefolgt von Prozesswärme und Warmwasser. Der Anteil erneuerbarer Energien bei Wärmebedarf lag im Jahr 2016 bei ca. 10 %. Biomasse liefert mit zwei Drittel den größten Anteil bei den erneuerbaren, wobei der Anteil der Solarthermie bei 5,2 % liegt^¹. Das MIT hat eine Substanz entwickelt, welche den Einsatz der Solarthermie in vielen neuen Bereichen ermöglicht und das Potential hat zukünftig den Anteil erneuerbarer Energien nachhaltig zu steigern.

Die neue Substanz ist eine Weiterentwicklung des in den 1930er Jahren von Forschern in Stanford entdeckten Aerogels². Laut Definition ist ein Aerogel ein offenzelliger, mesoporöser – Material mit Porendurchmesser unter 50 nm – Schaum welcher aus einem Netzwerk miteinander verbundener Nanostrukturen besteht, die sich durch eine Porosität von mehr als 50% auszeichnen. Die Bezeichnung bezieht sich dabei nicht auf das Material sondern auf die Struktur in welchem dieses angeordnet ist. Im Allgemeinen wie auch im folgenden Text wird sich auf siliziumbasiertes Aerogel fokussiert.

Im Endeffekt ist Aerogel das trockene, porenreiche Gerüst eines siliziumbasierten Gels, wobei über einen Trocknungsprozess – supercritical drying – die flüssigen Bestandteile des Gels entfernt werden. Dabei entsteht ein Material mit einer Dichte zwischen 0,0011-0,5 g/m^3. Im Schnitt haben Aerogele eine Dichte von 0,2 g/m^3 und sind somit 15 mal schwerer als Luft. Aerogele halten auf Grund ihrer einzigartigen Struktur und der damit verbundenen Eigenschaften unter anderem folgende Rekorde. Material mit³:

Geringster Dichte – leichtester Feststoff (0,0011 g/cm^3 – Luft: 0,0012 g/cm^3)
Geringster thermische Leitfähigkeit – bester Isolator (0,016 W/m*K)

Das Material wird heutzutage schon aktiv als Dämmmaterial verwendet doch sind seine möglichen zukünftigen Anwendungsgebiete vielseitig wie die folgenden Forschungsergebnisse des MIT verdeutlichen.

Innovation: Das neue Aerogel

Forscherin Evely Wang und ihr Team am MIT⁴ hatten vor 5 Jahren mit der Entwicklung eines vollkommen durchsichtigen Aerogels begonnen. Ziel war die Entwicklung eines optisch transparenten, wärmeisolierenden Aerogels für Solarthermie-Systeme. Wegen der fehlenden Transparenz aktueller Aerogele konnten diese in diesem Bereich nicht sinnvoll eingesetzt werden. Durch die Integration eines optisch transparenten Aerogels in ein solches System würde es den Sonnenstrahlen ermöglichen ungehindert einzudringen, wobei die erzeugte Wärme nicht entweichen kann, welches eines der Hauptprobleme aktueller Systeme darstellt. Im Februar 2020 konnten die Forscher einen Durchbruch vermelden. Es war ihnen gelungen ein Aerogel zu entwickeln, das transparenter war als Glas, da es nicht reflektiert.

State-of-the-art: Solarenergie-Systeme sind in der Lage mittlere Temperaturen zwischen 120-220°C zu erzeugen. Mit diesem Temperaturen können Räume geheizt, Dampf erzeugt und bestimmte industrielle Prozesse betrieben werden. Solche Systeme benötigen jedoch teure optische Systeme, welche das einstrahlende Sonnenlicht bündeln, spezielle Oberflächen für die Absorption der Sonnenenergie und kosten- und wartungsintensive Bereiche mit Vakuum damit die Hitze nicht entweicht. Basierend auf diesen limitierenden Eigenschaften existiert nur ein äußerst begrenztes Marktpotential. Durch die Verwendung eines transparenten Aerogels könnte der natürliche Treibhauseffekt auf extreme Weise im Kleinen mit positiven Ergebnis nachgeahmt werden.

Um die Theorie in der Praxis zu testen wurde ein aerogelbasierter Solarkollektor auf dem Dach des MIT installiert, der das Sonnenlicht effizient durchlässt und dabei Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung auf einmal verhindert. Ein solches Aerogel könnte kostenintensive optische Systeme, Oberflächen und Bereiche mit Vakuum obsolet machen. Im Rahmen der Testphase wurde an einem Wintertag (1°C) Daten zwischen 11-13 Uhr mittags aufgenommen. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Temperatur direkt angestiegen ist und sich bei über 220°C stabilisiert hat. Den Forschern gelang es damit Wasser in Dampf mit 120°C zu verwandeln.

Potential: Zukunftsweisend für Energiesparung

Das Potential dieses Material ist kaum zu unterschätzen. Sei es die Anwendung im Bereich der Energie- und Wärmeerzeugung oder als Isolationsmaterial im Fensterbau. In den USA beispielsweise gehen über die Fenster jedes Jahr so viel Energie verloren, dass 50 Millionen Haushalte mit Strom versorgt werden könnten. Dies entspricht etwa 32 Milliarden USD und ist für 350 Millionen Tonnen CO2 – mehr als 76 Millionen Autos – verantwortlich.

Untersuchungen des MIT⁵ haben ergeben, dass eine Lösung diese Problems darin bestehen könnte, den Luftspalt bei konventionellen Doppelglassystemen mit Aerogel zu ersetzen. So könnte die Isolationsfähigkeit um 40% erhöht werden und beträgt dann 85% eines dreifachverglasten Systems, die auf Grund ihrer hohen Kosten dort nur selten verbaut werden. Sie gehen davon aus, dass der Preis eines solchen Systems bei der Hälfte einer Dreifachverglasung liegen würde. Darüber hinaus könnte die Technologie schnell in den Produktionsprozess integriert werden. Die Aerogelscheibe ist so konstruiert, dass sie in die bestehenden doppelglasigen Systeme ohne Probleme integriert werden können, welche überall in der Industrie standardisiert sind. Somit könnten sie bei geringen Kosten und minimalen Anpassungen auf bestehenden Produktionslinien hergestellt werden.

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Quellen:

1 https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-fuer-fossile-erneuerbare-waerme#textpart-1

2 https://www.nasa.gov/vision/earth/technologies/aerogel.html

3 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201200491

4 https://news.mit.edu/2020/making-remarkable-material-even-better-aerogel-0225

5 https://news.mit.edu/2020/making-remarkable-material-even-better-aerogel-0225