Аэрогель

Аэроге́ли (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — уникальный теплоизоляционный материал, полученный из геля, в котором жидкость заменена на газообразную среду. Визуально он напоминает полупрозрачную пористую массу и часто называется «замороженным дымом» или «твёрдым воздухом». Главное его преимущество — рекордно низкая теплопроводность. Аэрогель это делает одним из лучших утеплителей среди всех существующих на XXI век.

В 1930-х годах аэрогели были изобретены, но только с развитием технологий стало возможным их промышленное применение. Сегодня аэрогели используются не только в строительстве, но и в аэрокосмической отрасли, медицине, электронике и нефтегазовой промышленности.

История

Самый лёгкий на земле теплоизолятор изобрёл американский инженер Сэмюэл Кистлер в 1931 году. Он для этого высушил диоксид кремния — вещество, из которого состоит песок — под большим давлением и при высокой температуре. Изобретённый им материал, на 96 % состоящий из воздуха и названный аэрогелем, отличается низкой теплопроводностью. Компания Russell Outdoors продаёт за $400 ультратонкую туристическую куртку, сделанную на основе аэрогеля.

Аэрогели давно бы уже применяли при изготовлении одежды, если бы не их два недостатка: ломкость и дороговизна. Кистлер начал работать над коммерциализацией своего изобретения ещё в 1940-е годы. Он разработал инсектицид и загуститель для краски на основе аэрогеля, но на этом работа остановилась. «О нанотехнологиях в то время никто ещё слыхом не слыхивал, — говорит Стивен Стейнер, основатель компании Aerogel Technologies, которая в XXI веке производит материалы из аэрогеля. — Люди просто не понимали, что это за материал».

Подрядчик NASA, компания Aspen Systems, начала разрабатывать способ дешёвого производства аэрогелей в 1999 году. Инженеры компании научились встраивать аэрогель в ткань. Таким образом, получаемые материалы оказались гибкими, а не хрупкими, и с ними наконец стало можно работать. Процесс производства состоит в тщательно контролируемом высушивании силикагеля (раствор кремниевых кислот), в результате чего содержащаяся в нём жидкость превращается в газ. Получается своего рода кремниевая губка. Сложная система пор удерживает воздух, поэтому материал плохо пропускает тепло. При этом аэрогели могут выдерживать температуры от абсолютного нуля до 3000 ˚С. NASA даже использовала их для изоляции скафандров и марсохода Mars Rover.

Структура и свойства

Легкий теплоизолятор, отличающийся повышенной прочностью и износостойкостью, представляет собой строительный аэрогель. Нагрузки, в две—три тысячи раз превышающие собственный вес, способен выдерживать универсальный утеплитель из кварца. Так один блок весом чуть больше пяти грамм свободно выдерживает вес двух кирпичей. Мало востребованы в чистом виде кварцевые аэрогели, несмотря на все достоинства. Комбинированные теплоизоляционные материалы, в которых аэрогели наносятся на холсты и маты из: полиэстерного, карбонового, стеклянного, керамического волокна.

Новые, уникальные качества приобретают эти волокнистые утеплители с аэрогелевым покрытием, в полной мере сохраняя свои эксплуатационные свойства. При этом коэффициент теплопроводности меньше изначального примерно в два раза. В несколько раз уменьшить толщину теплоизоляционного слоя, не снижая эффективности, позволяет эта особенность материалов на основе аэрогеля.

Виды аэрогелей

• Кварцевые аэрогели: самый часто встречающийся вид аэрогелей. Наименьшая плотность, которую они могут достигать, равна 1 кг/м³ (в вакуумированном состоянии), что в тысячу раз меньше, чем плотность воды, и даже на 20 % меньше плотности воздуха.
• Аэрографиты: благодаря своей электропроводности, находят применение в качестве электродных материалов в конденсаторах. Их развитая пористая структура, характеризующаяся огромной удельной площадью поверхности (до 800 м2/г), обусловила их использование в создании суперконденсаторов (ионисторов), демонстрирующих ёмкость, достигающую тысяч фарад. Современные разработки позволили достичь удельной ёмкости в 104 Ф/г и объемной ёмкости в 77 Ф/см3. Углеродные аэрогели обладают крайне низким коэффициентом отражения, поглощая около 99,7 % излучения в диапазоне длин волн от 250 до 14 300 нм, что делает их перспективными для использования в качестве эффективных поглотителей солнечной энергии.
• Глинозёмные аэрогель: созданный на основе оксида алюминия с добавлением иных металлов, находят применение в роли каталитических агентов. В NASA на основе алюмооксидных аэрогелей, модифицированных гадолинием и тербием, был создан прибор для обнаружения столкновений на высоких скоростях. Принцип его работы основан на возникновении флуоресценции в точке удара частицы о поверхность, при этом яркость свечения коррелирует со скоростью столкновения. Учёные предполагают, что некоторые типы платиновых аэрогелей могут быть применены для интенсификации процесса производства водорода, что потенциально позволит использовать аэрогель для получения водородного топлива. Взрывчатые вещества могут быть созданы на основе аэрогеля из оксида железа с включением алюминиевых наночастиц (разработка Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса, США).
• Графеновый аэрогель: углеродистый материал, характеризующийся плотностью, которая меньше, чем у газообразного гелия, но превосходит плотность газообразного водорода. Его плотность составляет всего 0,16 мг/см3. Для производства этого материала учёные использовали графен, признанный одним из самых удивительных и тонких материалов современности. Получение графенового аэрогеля осуществляется посредством сублимационной сушки. Эта пористая структура обладает свойством практически идеально повторять форму любого контейнера, то есть объём произведенного аэрогеля напрямую определяется объёмом используемой ёмкости. Графеновый аэрогель отличается упругостью и исключительной прочностью, а также способностью с высокой скоростью абсорбировать органические вещества. Один грамм аэрогеля способен за считанные секунды поглотить около 68 граммов вещества, нерастворимого в воде. Благодаря этому, он может быть использован в природоохранных мероприятиях и для ликвидации последствий экологических катастроф, таких как разлив 72000 тонн нефти с танкера Sea Empress в 1996 году у побережья Милфорд-Хейвена. Профессор химии Меркьюри Канацидис, создатель аэрогеля для очистки воды от ртути и свинца, отметил уникальность материала: «Это поразительное вещество. При минимальной плотности, известной человеку, оно обладает огромным потенциалом. Его можно использовать в самых разных областях, от фильтрации загрязненной воды до теплоизоляции и даже для изготовления ювелирных изделий». Компания Dunlop внедрила аэрогель в производство ракеток для сквоша и тенниса, что, по утверждениям, позволяет увеличить их мощность.

Использование

Аэрогели используют:

• изоляция бытовых и промышленных холодильников, морозильных камер;
• защита теплотрасс с надземным и подземным монтажом;
• в промышленности используют для защиты холодного и горячего водоснабжения (ХВС/ГВС);
• изоляция трубопроводов любого типа;
• защита от образования конденсата на строительных, технических и научно-исследовательских объектах;
• криогенная техника и оборудование;
• изоляция вентиляционных каналов, шахт и кессонов;
• утепление специализированной/обычной одежды и обуви;
• для защиты стен, фундаментов, кровель, лоджий, балконов, бань и саун;
• для электрических бойлеров и других ёмкостей.