Superleichter Isolator aus Aerogel-Keramik

Unter den vielen Materialinnovationen der letzten Jahre stechen Aerogele immer wieder aus der Masse heraus. Denn sie sind extrem leicht und erstaunlich widerstandsfähig. Sie bestehen aus bis zu 99 Prozent Luft und können nahezu transparent erscheinen. Als „gefrorener Rauch“ werden Aerogele deshalb unter den Wissenschaftlern bereits seit Jahren gefeiert. An der University of California ist Wissenschaftlern ein entscheidender Entwicklungserfolg geglückt.

Bienenwabenähnlichen Struktur reagiert wie auxetisches Material

Aerogele werden unter Ausnutzung einer gelartigen Substanz hergestellt, die bei extremen Bedingungen getrocknet wird. Je nach Anwendung und Anforderungen können die Materialien von Keramik, Kohlenstoff oder Metalloxide reichen. Sie bilden sich nach dem Trocknen zu einem feinen dreidimensionalem Netzwerk aus, das weder die Form verändert noch an Stabilität durch Schrumpfung einbüßt.

Keramische Aerogele konnten bislang vorwiegend durch ihre Stabilität und eine hohe Isolationsfähigkeit überzeugen, jedoch Temperaturschwankungen und hohe Gradzahlen nicht dauerhaft standhalten. War das Material mehrfacher Temperaturveränderung ausgesetzt, brach das feine Netzwerk in sich zusammen. Das neue Material hingegen, kann nicht nur hohe Temperaturen sondern auch extreme Schwankungen aushalten. Es ist nach Angaben der Wissenschaftler selbst unter extremen Bedingungen elastisch genug. Diese Elastizität ist auf das Ausgangsmaterial Bornitrid zurückzuführen. Denn die Atome dieser Keramik sind in einer bienenwabenähnlichen Struktur angeordnet und reagieren bei Hitze unter Dehnung wie auxetische Strukturen. Wird das Material erwärmt, dehnt es sich nicht aus, sondern zieht sich zusammen. Wird es unter Krafteinwirkung in die Länge gezogen, wird das Material in der Mitte dicker und nicht dünner.

Das Material ist dabei so flexibel, dass es sich auf 5 Prozent seines ursprünglichen Volumens stauchen lässt und sich im Anschluss wieder ausdehnt. Vergleichbare Aerogele konnten bislang nur auf 20 Prozent zusammengepresst werden. In weiteren Tests wurde das Material zudem für mehrere Tage in einem Ofen mit 1.400 Grad Celsius gelagert und binnen Sekunden von -198 °C auf 900 °C erhitzt. Das Aerogel hielt stand.

Diese Ergebnisse lassen nicht nur die Herzen der NASA-Ingenieure schneller schlagen, sondern ziehen auch das Interesse von Autobauern auf sich. Die hervorragenden Isoliereigenschaften könnten Fahrzeuge besser vor Wärme schützen und sie sogar speichern. Auch in Wasserstoffautos könnte das neue keramische Aerogel zum Einsatz kommen. Tests zeigen, dass ein mit Stickstoff und Bor versetztes Aerogel, in einer Brennstoffzelle genauso gut beschleunigt wie das bislang verwendete und kostenintensive Platin.

Vollständiger Forschungsbericht unter: www.science.sciencemag.org/content/363/6428/723