Za razliku od nekih izolacionih materijala koji “zvuče” kao materijali iz budućnosti i koje koristi NASA, aerogel to zaista jeste. Izdržljiv, a lagan poput pera, materijal sa odličnim termoizolacionim i drugim karakteristikama koje se konstantno usavršavaju, sa pravom je dobio titulu superizolacije.
NASA je prva našla primenu aerogela u proizvodnji odela za astronaute i za izolaciju spejsšatlova. Danas aerogel ima širu upotrebu, između ostalog i u građevinarstvu kao izolacija. Kako i gde se koristi i koje su karakteristike ovog supermaterijala pročitajte u nastavku.
Šta je aerogel?
Aerogel je toliko lagan materijal da se smatra jednim od najlakših čvrstih materijala. Čini ga preko 90% vazduh i ima izuzetno malu gustinu. Transparentan je i poseduje svojstva supertermoizolacije. Kada se komad aerogela uzme u ruke izgleda skoro nevidljivo. Zbog toga koliko je lagan osećaj je kao da u ruci nemate ništa.
Kada se pomene aerogel većina misli na neorganski SiO2 aerogel iliti silicijumski aerogel. On je najzastupljenija vrsta aerogela. Osnova mu je ista kao kod peska i stakla – amorfni silicijum dioksid u praksi poznat kao silikat (kalijum vodeno staklo).
Kao što ni plastika nije samo polietilen, tako postoje i druge vrste aerogela boljih ili lošijih karakteristika – aerogel na bazi metalnih oksida, ugljenika, bakra, zlata, aerografen koji se koristi za skladištenje električne energije, neke su od vrste aerogelova. Prednosti i mogućnosti ovog materijala su itekako prepoznate, a konstantno se radi na njihovom usavršavanju.
Kako izgleda aerogel?
Aerogel je poznat pod nazivima zamrznuti (smrznuti) dim ili modri dim. Razlog je gotovo providna površina, plavičasta boja, činjenica da je lagan poput pera, kao i način na koji se kroz sam materijal rasipa svetlost. Može se slobodno reći da izgleda potpuno nestvarno.
Aerogelovi su suvi materijali koje se dobijaju iz gela, tako što se u procesu proizvodnje iz njega izvlači tečna komponenta. Umesto nje se u porama nalazi gas ili vakum.
Ono što je zanimljivo je da na prvi dodir aerogel liči na stiropor. Ipak, kada padne na tvrdu površinu, daje zvuk nalik na ping pong lopticu koja udara o sto.
Smrznuti dim je prva veštačka nano struktura na zemlji koja je našla širu primenu i tek će se upotrebljavati.
Sastav aerogela
Aerogelovi su ustvari čvrsta ljuska u čijim se porama u unutrašnjosti nalazi zarobljen gas. Prečnik pora kreće se do 100 nanometara, a najčešće je manji od 20 nanometara.
Iako su silikatni aerogelovi najzastupljeniji, u suštini ne postoji jedinstvena hemijska formula za ovu vrstu materijala. Prosto, termin aerogel odnosi se na sve materijale čija je čvrsta struktura nastala iz gela, čiju ispunu čini veliki broj minijaturnih pora ispunjen gasom.
Neke od najzastupljenijih supstanci od kojih se prave aerogelovi su:
- silicijum;
- oksidi većine prelaznih metala (na primer oksidi gvožđa);
- oksidi većine lantanoida i aktinoida (na primer prazeodijum oksid);
- oksidi kalaja;
- organski polimeri (resorcinol-formaldehid, fenolformaldehid, poliakrilati, stiropor, poliuretani i epoksidi);
- biološki polimeri (želatin, pektin, agar);
- poluprovodne nanostrukture (poput kvantne tačke kadmijum selenida);
- ugljenik;
- ugljenična nanocev;
- metali (poput bakra i zlata).
Često se prave i mešavine aerogelova, dodaju se polimerni premazi ili se ugrađuju magnetne nanočestice kako bi im se poboljšale karakteristike.
Postoje aerogelovi na bazi PET ambalaže koji su možda rešenje svetskog problema odlaganja plastičnih boca, ili aerogel koji se pravi od otpadaka u proizvodnji piva.
Kako nastaje aerogel?
Danas aerogel nastaje u procesu superkritičnog sušenja koji omogućava da se tečnost u gelu osuši, bez raspadanja čvrstog omotača gela usled kapilarnih pojava. U ovom procesu se ustvari izvlači tečna komponenta iz osnove za pravljenje aerogela, a umesto nje se ubacuje gas. Tako se stvara čvrst omotač dok vazduh ostaje zarobljen u porama.
Za malu količinu aerogela proizvodnja košta oko 1000 dolara po litru što aerogel čini poprilično skupim materijalom.
Istorija aerogela
Aerogel je otkriven 1931. godine. Prvobitno je bio naparavljen na bazi aluminijuma, hroma i kalaj oksida. Industrija sve do osamdesetih godina prošlog veka nije našla širu primenu za takav materijal. Tačnije dok nije napravljen aerogel na bazi ugljenika i silicijuma.
Gde se koristi aerogel?
Primenu Aerogela usavršila je NASA u izradi svemirskih letelica i kao izolacioni sloj u odelima astronauta. Aerogel se usavršava i u vojnoj industriji upotrebljava u izradi garderobe, pa se očekuje da u budućnosti bude i u sastavu garderobe za npr. ekstremne sportove ili skijaška odela. U avio-industriji „smrznuti dim“ se koristi kao termoizolacija u avionima.
Što se građevine tiče, visoka cena aerogela za sada ga čini neekonomičnim za korišćenje kao standardna izolacija. Efikasan je kao ispuna zidnog panela ili providnog krovnog prozora, može da se koristi i kao podna izolacija i izolacija cevi. Najveću primenu je našao u vidu traka za zaptivanje i sprečavanje pojave toplotnih mostova.
Aerogel se za sada mahom primenjuje u sanaciji istorijskih objekata jer je gotovo proziran, a potrebna je daleko manja debljina za izolaciju od drugih materijala.
Prvi objekat za koji su korišćeni paneli od aerogela je u u Švajcarskoj. Na Institutu za tehnologiju u Džordžiji koristi se kao izolator polutransparentnog krova instituta.
Čestice aerogela koriste se i u slikarstvu i kozmetici ili kao katalizator za neke hemijske reakcije.
Aerogel proizvodi
Iako aerogel ima različite dobre karakteristike one se raznim dodacima mogu dodatno poboljšati pa na tržištu postoje aerogelovi koji su specijalno izdržljivi na niskim temperaturama i ispod -200°C. Zatim oni izdržljivi na visokim temperaturama i velikim temperaturnim rasponima. Postoji fleksibilna aerogel izolacija kao i izolacija u vidu ploča ispunjenih aerovunom, kao i zaptivne trake za sprečavanje pojave toplotnih mostova.
Aerogel na našem tržištu
Kod nas se na tržištu aerogel može naći kao dodatak visoko efikasnog izolacionog maltera na osnovi kreča. Ovakav malter je našao primenu kod sanacije starih objekata i izolovanja istorijskih objekata, gde se sa 3 do 5cm debljine nanosa postižu željeni rezultati.
Mogu da se nađu i aerogel visokoizolacione negorive ploče od mineralnih vlakana za negorive spoljašnje izolacione sisteme.
Karakteristike aerogela kao izolacije
Iako izgleda kao materijal koji je dosta nežan, aerogel kao izolacija ima dobre mehaničke osobine. Posebno je otporan na pritisak i razvlačenje – može da izdrži pritisak na glatku površinu mase do 2000 puta veći od svoje (najmoderniji aerogelovi i do 4000 puta).
Relativno je fleksibilan i otporan na gaženje, iako ima problem sa savijanjem i udarcima. Njegova upotreba je laka jer se jednostavno reže i lepi.
Aerogel je vodootporan i vrlo dobro propušta paru. Ne stari i otporan je na buđ i gljivice, samim tim potpuno neškodljiv za sredinu. Takođe je i reverzibilan materijal odnosno bez dorada može ponovo da se upotrebljava više puta.
Aerogel je vatrootporan
Izolacija od aerogela efikasno deluje na temperaturama od –265°C do +650°C. Dakle, aerogel se može primjenjivati i tamo gde su ekstremni temperaturni uslovi.
Silicijumski aerogelovi mogu da izdrže do tačke topljenja silicijuma. Slikovito objašnjenje vatrootpornosti i propuštanja toplote aerogela jeste da kad postavimo samo 1cm debljine iznad otvorenog plamena, sa druge strane možemo da držimo ruku bez bojazni da ćemo se ispeći.
Izolacione karakteristike aerogela
Prosečna vrednost lambda koeficijenta kod silikatnog aerogela je 0,014W/mK (kod kamene vune kreće se između 0,035-0,04W/mK). U prevodu što je ovaj koeficijent manji to su termoizolacione karakteristike materijala bolje.
Priroda ovog materijala je takva da propušta svetlost, dok porozna struktura doprinosi smanjuju brzine zvuka. Aerogel može da redukuje buku do oko 5dB.
Gustina aerogela
Silicijumski aerogel ima najmanju gustinu i težinu među čvrstim materijalima, negde oko 1900g/m3. Ukoliko se uzme u obzir da je gustina vazduha na nultoj nadmorskoj visini na temperaturu od 20°C negde oko 1200g/m3, ne čudi što se za aerogel kaže da je lak kao pero. Ipak, kako se aerogelovi konstanto usavršavaju, napravljen je aerografen – aerogel od grafena koji ima gustinu od svega 4% veću od vazduha.
Prednosti aerogela kao izolacije
- veoma dobre termoizolacione karakteristike – najniža lambda vrednost kod nekih aerogelova od oko 0,014W/mk;
- manja masa i debljina izolacije u odnosu na druge materijale pa zauzima mnogo manje mesta za skladištenje;
- izvanredna hidrofobna svojstva čine aerogel vodootpornim;
- nepromenjive karakteristike tokom vremena;
- velika otpornost na plamen, emisiju dima i temperaturne promene;
- elastične osobine koje olakšavaju montažu;
- materijal koji diše jer propušta vodenu paru;
- izuzetna antiseptička svojstva;
- neškodljivost za okolinu.
Aerogel i njegove mane
Pored svih nabrojanih fenomenalnih karakteristika aerogel ima i jednu manu – krtost. U prevodu „zamrznuti dim“, ukoliko nije dodatno obogaćen polimerima, lako puca.
Čist aerogel nije otporan na udarce, savijanje i sečenje. Kada mu se dodaju razni polimeri, premazi ili slične supstance, dobija se otporniji i elastičnijiji materijal.
Silikatni aerogel, kao najzastupljeniji, je polu-elastičan materijal. U prevodu ukoliko ga dodirnemo vraća se u svoj prvobitan oblik. Uz veće pritiskanje ostaje udubljenje na mestu dodira. Kad se prekorači granica elastičnosti ponaša se slično staklu – naprsne i na kraju se slomi.
Druga mana aerogela svakako je cena. Aerogel je poprilično skup da bi se korsitio kao standardna izolacija, bez obzira na sve njegove karakteristike.
Neke vrste aerogela
Već smo pomenuli da su silikatni aerogelovi najzastupljeniji. Najvećim delom se karakteristike aerogelova odnose upravo na karakteristike ove vrste. Ipak naučnici su usavršili aerogelove od nekih drugih sirovina i sa njima postigli i bolje performanse.
Ugljenični i grafenski aerogelovi
Ugljenični aerogelovi podsećaju na ugalj. Monolitni su, crni i neprozirni, sjajne ili mat površine. Takođe su prilično krti i lomljive. Budućnost nano tehnologije leži u ovoj vrsti aerogela.
Primena im je široka jednako kao i primena grafena. Ugljenični aerogelovi reflektiraju tek 0,3% solarne radijacije, pa su na prvom mestu za pravljenje najmodernijih solarnih panela za svemirske letelice. S njima se mogu praviti i moderne tehnološke spravice, a mogu i da provode struju.
Aerogelovi od ugljenične cevi
Aerogelovi napravljeni od ugljenične cevi su najmlađi aerogelovi. Ojačani su pomoću poli(vinilnog) alkohola. Crni, neprozirni, monolitni, ali i elastični.
Aerogelovi na bazi aluminijuma
Aerogelovi na bazi aluminijum oksida su odlični katalizatori hemijskih reakcija. NASA ih koristi za hvatanje super brzih svemirskih čestica.
Celulozni aerogelovi
Celulozni aerogel je budućnost termoizolacijskih odela za vatrogasce, zaštitnim odelima za ljude u teškim industrijama ili za ekpedicije na severni pol ili šetnju u svemiru.
Aerogel od PET ambalaže
Da je neko pre desetak godina rekao da će građevinski materijal možda biti rešenje za prevelike količine otpada u vidu plastičnih boca, sva je verovatnoća da mu se ne bi verovalo. Naučnici su napravili aerogel koji se dobija topljenjem PET boca. Od jedne plastične flaše može da se dobije aerogel veličine A4 lista papira.
Ipak, u pogledu termoizolacionih karakterisitka ovoj vrsti aerogela treba usavršavanje jer daje vrednosti za nijansu veće od najboljih komercijalnih izolacionih materijala, a proizvodnja je i dalje poprilično skupa.
Aerogel na bazi piva
Građevinska industrija se neprestano usavršava i u pogledu životne sredine i smanjenja otpada pa je tim naučnika razvio i aerogel koji je transparentan i odličan kao obloga prozorima, a nastao je od celuloze iz otpada u proizvodnji piva. Ovaj aerogel bi se koristio preko postojećih prozora kako bi poboljšao toplotnu izolaciju, s obzirom da su prozori mesta kroz koja se gubi dosta toplotne energije. O tome više čitajte u našem tekstu o tome kako smanjiti gubitke toplote iz objekta.
Zaključak o aerogelu
Aerogel je superizolator koji izgledao kao da je došao iz budućnosti. Lagan, gotovo proziran, odličnih termoizolacionih karakteristika našao je primenu u Nasinoj tehnologiji za izolaciju svemirskih letelica i odela kosmonauta.
Poprilično je skup materijal pa se ne upotrebljava kao klasična izolacija već pre u vidu zaptivnih traka i za oblaganje istorijskih spomenika. Pored fenomenalnih karakteristika i parametara u odnosu na druge materijale, prednost mu je što je potreban mnogo manji sloj aerogela da obavi posao kao izolator.
Aeorgel nije jedan materijal već su to materijali nastali izvlačenjem tečne komponente iz gela na različitim bazama. Najpoznatiji je silikatni, dok budućnost leži u usavršavanju aerogela od ugljenika.
Naziva se „zamrznuti“ ili „modri dim“ i ima niz odličnih karakteristika poput vodo i vatrootpornosti i primenjivosti u ekstremnim uslovima.
Kada već govorimo o budućnosti u građevinskoj industriji, pročitajte i naš tekst o pasivnim kućama.
Ana Glišić, d.i.g.
