Aerożel – dlaczego nanoporowata struktura tak skutecznie zatrzymuje ciepło?

Aerożel nie izoluje dlatego, że „zawiera dużo powietrza”. Powietrze zawiera również wełna mineralna, pianka PUR czy styropian. Przewaga aerożelu wynika ze skali jego porów. W strukturze krzemionkowej mają one wymiary liczone w dziesiątkach nanometrów, porównywalne ze średnią drogą swobodną cząsteczek gazu. Transport energii przez gaz zostaje wtedy silnie ograniczony, a jednocześnie niezwykle mała ilość stałego szkieletu zmniejsza przewodzenie przez sam materiał.

Nanoporowata struktura zamiast klasycznej pianki

Aerożel powstaje z żelu, czyli przestrzennej sieci fazy stałej wypełnionej cieczą. Kluczowym etapem technologii jest usunięcie cieczy bez zniszczenia tej delikatnej struktury.

W zwykłym suszeniu parująca ciecz wytwarza napięcia kapilarne zdolne do zapadnięcia porów. Dlatego klasyczną metodą produkcji aerożeli jest suszenie w warunkach nadkrytycznych, w których zanika klasyczna granica pomiędzy cieczą a gazem i można ograniczyć siły niszczące sieć żelu.

Po usunięciu fazy ciekłej pozostaje trójwymiarowy szkielet, którego zdecydowaną większość objętości stanowią pory wypełnione gazem.

Dla aerożeli krzemionkowych spotyka się porowatość przekraczającą 90%, a w materiałach o szczególnie małej gęstości nawet około 99%. Typowe rozmiary porów znajdują się w zakresie nanometrycznym.

Trzy drogi przepływu ciepła przez aerożel

Efektywna przewodność cieplna materiału porowatego nie wynika z jednego zjawiska. Jest sumą kilku mechanizmów transportu energii.

Przewodzenie przez fazę stałą

Krzemionkowy szkielet aerożelu tworzy ciągłą sieć, ale jego udział objętościowy jest bardzo niewielki. Droga transportu ciepła przez fazę stałą jest dodatkowo kręta i zawiera ogromną liczbę połączeń pomiędzy nanostrukturami.

Ograniczenie ilości fazy stałej zmniejsza więc składową przewodzenia, która w zwartym szkle krzemionkowym byłaby znacznie większa.

Transport energii przez gaz

W klasycznej piance izolacyjnej zamknięcie gazu w małych komórkach eliminuje praktycznie makroskopową konwekcję. Aerożel idzie krok dalej: jego pory mogą być tak małe, że zaczyna działać efekt Knudsena.

Jeżeli wymiar poru jest porównywalny ze średnią drogą swobodną cząsteczki gazu, cząsteczka częściej zderza się ze ścianą poru niż z innymi cząsteczkami. Zdolność gazu do transportowania energii maleje.

To właśnie ten mechanizm jest jednym z powodów, dla których krzemionkowe aerożele przy temperaturze pokojowej mogą osiągać współczynnik λ około 0,013–0,016 W/(m·K).

Promieniowanie cieplne

Trzecim składnikiem jest promieniowanie. Jego udział rośnie wraz z temperaturą. Dlatego izolacje przeznaczone do wysokich temperatur mogą zawierać dodatki ograniczające transmisję promieniowania podczerwonego.

W temperaturze kilkuset stopni aerożel nadal pozostaje skutecznym izolatorem, ale jego przewodność cieplna jest już wyraźnie większa niż w temperaturze pokojowej.

Przewodność cieplna nie jest wartością stałą

W popularnych opisach izolacji często pojawia się pojedyncza wartość λ. W rzeczywistym projekcie technicznym takie podejście jest niewystarczające.

Przewodność cieplna materiału aerożelowego zależy między innymi od:

• średniej temperatury izolacji,
• gęstości i porowatości,
• rodzaju gazu znajdującego się w porach,
• ciśnienia,
• zawartości włókien wzmacniających,
• dodatków ograniczających promieniowanie,
• stopnia ściśnięcia maty.

Dobrze widać to w danych dla przemysłowej maty aerożelowej przeznaczonej do instalacji wysokotemperaturowych. Przy średniej temperaturze 0°C współczynnik przewodzenia wynosi około 0,020 W/(m·K). Przy 300°C wzrasta do około 0,035 W/(m·K), a przy 600°C osiąga już około 0,089 W/(m·K).

Monolit, granulat i mata aerożelowa

Wizerunek półprzezroczystego niebieskawego monolitu jest charakterystyczny dla demonstracji laboratoryjnych, ale przemysł wykorzystuje aerożel przede wszystkim w bardziej praktycznych formach.

Przejście od kruchego monolitu do mat i kompozytów było jednym z najważniejszych etapów komercjalizacji aerożeli. Sam rekordowo mały współczynnik λ miałby ograniczoną wartość przemysłową, gdyby materiału nie dało się transportować, docinać i montować na rzeczywistym urządzeniu.

Milimetry izolacji w miejscach, gdzie brakuje przestrzeni

W budownictwie aerożel nie konkuruje przede wszystkim z wełną mineralną czy styropianem ceną jednego metra kwadratowego. Jego przewaga pojawia się wtedy, gdy ograniczeniem projektu jest grubość przegrody.

Typowa izolacja aerożelowa stosowana w warunkach zbliżonych do temperatury pokojowej może osiągać λ około 0,013–0,016 W/(m·K). Dobre klasyczne materiały izolacyjne mają zwykle około 0,030–0,040 W/(m·K).

Różnicę można pokazać prostym obliczeniem oporu cieplnego:

R = d / λ

Dla 10 mm materiału o λ = 0,015 W/(m·K):

R ≈ 0,67 m²K/W

Aby uzyskać taki sam opór materiałem o λ = 0,035 W/(m·K), potrzeba około 23 mm jego grubości.

Nie oznacza to, że 10 mm aerożelu automatycznie zastępuje całą standardową warstwę ocieplenia. Pokazuje natomiast, dlaczego materiał jest szczególnie wartościowy w detalach o bardzo ograniczonej przestrzeni.

W praktyce budowlanej są to przede wszystkim ościeża okienne, połączenia płyt balkonowych, nadproża, wnęki instalacyjne, elementy zabytkowych fasad oraz miejsca, w których gruba izolacja zmieniałaby geometrię detalu.

W polskiej literaturze branżowej opisywano również wykorzystanie granulatu aerożelowego w przeszkleniach oraz mat w termomodernizacji elementów, których nie można było znacząco pogrubić.

Rurociągi, aparaty procesowe i izolacja wysokotemperaturowa

W instalacji przemysłowej grubość izolacji ma inne konsekwencje niż w ścianie budynku. Większa średnica zewnętrzna zaizolowanego rurociągu oznacza większe płaszcze ochronne, więcej miejsca na podpory, większe odległości pomiędzy sąsiednimi przewodami i trudniejszy dostęp do armatury.

Cienka mata o wysokiej skuteczności izolacyjnej może więc zmniejszać nie tylko straty energii, ale również gabaryty całego układu.

Aerożelowe maty przemysłowe stosuje się na:

• rurociągach parowych,
• wymiennikach ciepła,
• zbiornikach i aparatach procesowych,
• armaturze,
• instalacjach rafineryjnych i petrochemicznych,
• systemach LNG i instalacjach niskotemperaturowych.

Współczesne maty krzemionkowe są wykonywane jako materiały hydrofobowe. Ma to znaczenie nie tylko dla parametrów izolacji. W instalacjach stalowych obecność wilgoci pod warstwą izolacyjną może prowadzić do korozji pod izolacją – CUI (corrosion under insulation).

Aerożel nie usuwa sam problemu CUI. Właściwy projekt nadal wymaga odpowiedniej powłoki ochronnej, płaszcza zewnętrznego, uszczelnienia penetracji i kontroli stanu instalacji. Hydrofobowa izolacja może jednak ograniczyć zatrzymywanie ciekłej wody w systemie.

Aerożele w kriogenice i technologiach kosmicznych

Izolacja ciekłego wodoru, tlenu lub azotu jest znacznie trudniejszym problemem niż ograniczenie strat ciepła z instalacji pracującej w temperaturze pokojowej.

Dla przykładu ciekły wodór jest magazynowany w temperaturze około −253°C. Nawet niewielki strumień ciepła docierający do zbiornika powoduje parowanie kriogenicznego paliwa.

W takich warunkach zmianie ulega nie tylko przewodność materiału. Istotne stają się ciśnienie, skład gazu, promieniowanie, konstrukcja wielowarstwowa oraz zachowanie izolacji podczas wielokrotnych cykli chłodzenia i ogrzewania.

NASA prowadzi obecnie prace nad kolejną generacją polimerowych aerożeli dla izolacji kriogenicznej. Materiały te mają zachować bardzo małą przewodność cieplną charakterystyczną dla aerożeli, ale jednocześnie oferować większą integralność strukturalną i odporność mechaniczną niż tradycyjne kruche monolity krzemionkowe.

Badania obejmują pomiary przewodności w szerokim zakresie temperatur kriogenicznych i przy różnych poziomach próżni. To istotne dla przyszłych zbiorników paliw kriogenicznych wykorzystywanych w długotrwałych misjach kosmicznych.

Rozwój aerożeli polimerowych dobrze pokazuje kierunek całej branży: dalsza poprawa rekordowego λ nie jest jedynym celem. Równie ważna staje się odporność konstrukcyjna materiału izolacyjnego.

Kruchość, pylenie, wilgoć i koszt systemu

Największą słabością klasycznych monolitycznych aerożeli jest niewielka odporność na rozciąganie i uderzenia. Delikatna nanoporowata sieć dobrze przenosi obciążenie ściskające rozłożone na dużej powierzchni, ale lokalne naprężenie może doprowadzić do pęknięcia.

Problem ten ogranicza się przez wprowadzanie włókien, polimerów oraz innych faz wzmacniających. W komercyjnych matach aerożel stanowi część wieloskładnikowego kompozytu, a nie samodzielny kruchy blok.

Pylenie podczas obróbki

Cięcie części mat aerożelowych może powodować powstawanie drobnego pyłu. W zastosowaniach przemysłowych oznacza to konieczność przestrzegania zaleceń producenta dotyczących odzieży ochronnej, ochrony oczu i dróg oddechowych.

Hydrofobizacja nie jest właściwością każdego aerożelu

Czysta krzemionka ma powierzchnię zawierającą grupy zdolne do oddziaływania z wodą. Odporność komercyjnych izolacji na wilgoć jest uzyskiwana dzięki modyfikacji chemicznej powierzchni.

Nie należy więc automatycznie przypisywać każdemu aerożelowi identycznej hydrofobowości. Jest to cecha konkretnej formulacji materiałowej.

Koszt należy porównywać z kosztem instalacji

Cena za metr kwadratowy aerożelu jest znacznie wyższa niż klasycznej izolacji budowlanej. W przemyśle analiza ekonomiczna wygląda jednak inaczej.

Mniejsza grubość może oznaczać mniejszy płaszcz instalacji, prostszy montaż w zatłoczonych przestrzeniach, ograniczenie przebudowy podpór albo możliwość zaizolowania elementu, na którym klasyczna warstwa po prostu się nie mieści.

Dlatego w zastosowaniach specjalistycznych właściwą jednostką porównania nie zawsze jest koszt samego materiału, lecz całkowity koszt rozwiązania technicznego.

Miejsce aerożelu w nowoczesnej technice izolacyjnej

Aerożel nie jest uniwersalnym następcą styropianu, wełny mineralnej, pianek poliuretanowych ani izolacji włóknistych. Jego parametry są zbyt wyspecjalizowane, a koszt materiału zbyt duży, aby takie porównanie miało sens w każdej aplikacji.

Jego przewaga jest największa tam, gdzie tradycyjna izolacja napotyka ograniczenie fizyczne lub konstrukcyjne:

• nie ma miejsca na odpowiednią grubość,
• masa systemu musi być ograniczona,
• izolowana geometria jest skomplikowana,
• temperatura pracy jest bardzo wysoka albo kriogenicznie niska,
• konieczna jest duża izolacyjność na krótkiej drodze przepływu ciepła.

Jednocześnie aerożel dobrze ilustruje zmianę zachodzącą we współczesnej inżynierii materiałowej. Parametry nie wynikają już tylko ze składu chemicznego. Można je projektować przez kontrolowanie architektury materiału w skali nanometrów.

W przypadku krzemionki ta sama substancja chemiczna może tworzyć zwarte szkło albo strukturę zawierającą ponad 90% pustej przestrzeni. Różnica w sposobie organizacji materii prowadzi do całkowicie innego zachowania cieplnego.

Najważniejszą cechą aerożelu nie jest więc jego rekordowo mała masa. Jest nią zdolność do kontrolowania transportu energii poprzez geometrię porów o rozmiarach zbliżonych do skali ruchu cząsteczek gazu. To właśnie dlatego aerożel pozostaje jednym z najbardziej charakterystycznych przykładów materiału, którego właściwości zostały zaprojektowane przede wszystkim poprzez mikro- i nanostrukturę.