Aerożele to z natury lekkie struktury, posiadające znakomite właściwości cieplne i izolacyjne. Duża powierzchnia na jednostkę masy aerożeli umożliwia ich zastosowanie wszędzie tam, gdzie wielkość powierzchni odgrywa ważną rolę, w tym w akustyce i elektrochemii.
Dariusz Krakowski

Choć znanych jest wiele naukowych zastosowań aerożeli, to izolacja cieplna i akustyczna stanowią najlepiej rozwinięte obszary ich wykorzystania. Aerożele znajdują zastosowanie w kosmosie, atmosferze, na ziemi, pod ziemią i pod poziomem morza. Izolacja satelitów, skafandrów dla astronautów, części rakiet, samolotów, pocisków rakietowych, kombinezonów dla nurków, okrętów podwodnych czy statków, to tylko niektóre z rodzajów izolacji, w których wykorzystuje się aerożele lub maty aerożelowe. Poszczególne zastosowania mogą się od siebie różnić lub wymagać dostosowania systemów izolacyjnych zawierających kompozycje aerożelowe. Ponadto, konkretna metoda użycia aerożelu może również sprawdzić się w innym zastosowaniu. Wiele metod produkcji, dostosowywania do indywidualnych potrzeb, czy wytwarzania aerożeli oraz mat aerożelowych można dowolnie wymieniać i łączyć z innymi typowymi metodami w przypadku nowych zastosowań.

UWAGI OGÓLNE
Aerożele charakteryzują się najniższą przewodnością cieplną w warunkach ciśnienia otoczenia. Dopóki wytwarzane są w postaci odpowiedniej dla danego użycia, nadają się do wielu zastosowań w zakresie izolacji cieplnych i akustycznych. Maty aerożelowe, których cechą charakterystyczną jest elastyczność, mogą być wykorzystywane jako zamienniki takich materiałów jak: wełna mineralna, włókna szklane, pianka poliizocyjanuranu, pianka poliuretanowa, itp. Ograniczenia przestrzenne Aerożele lub maty aerożelowe są idealne dla zastosowań, w których istnieje ograniczenie przestrzenne. Dzięki swojej niskiej przewodności cieplnej, w porównaniu z materiałami o tym samym wymaganym oporze cieplnym, aerożele zajmują znacznie mniej miejsca. Taka oszczędność miejsca może stwarzać inne, nowe możliwości rozwoju technologii, które pozwalają na wyeliminowania dotychczasowych ograniczeń.

Temperatura kriogeniczna
Maty aerożelowe można przygotować tak, by nadawały się do zastosowań kriogenicznych, w których materiały, narażone na oddziaływanie temperatur kriogenicznych w określonym czasie, nie mogą być kruche. Wszelkie rodzaje mat aerożelowych do takich zastosowań, również te wyprodukowane z wykorzystaniem wzmocnień lub włókien, powinny być odpowiednio przystosowane do temperatur kriogenicznych. Okazuje się, że wiele materiałów wykorzystywanych w kompozytach aerożelowych nadaje się do takich celów.

Wysoka temperatura
Aerożele i maty aerożelowe mogą być stosowane również w innych ekstremalnych warunkach, tj. w bardzo wysokich temperaturach, przekraczających niekiedy 1000°C. Zastosowanie aerożelu w tak wysokich temperaturach może wymagać zmian w jego składzie, a mianowicie dodatku innych środków chemicznych oprócz krzemionki. Temperatury umiarkowanie wysokie (tj. 500°C – 1000°C) stanowią idealny zakres temperatur dla mat aerożelowych.

PRZEMYSŁ BUDOWLANY
Budynki zużywają ogromne ilości energii. W zależności od tego, czy są to budynki przemysłowe, komercyjne czy mieszkaniowe, ich system izolacyjny musi spełniać wymogi rozmaitych statutów i umów, określonych lokalnymi przepisami prawnymi. Jedną z większych powierzchni, która charakteryzuje się znaczną utratą energii jest bryła budynku – ogólne określenie ścian, okien i innych elementów obwodowych budynku, oddzielających wnętrze konstrukcji od otaczającego środowiska. Obecnie w konstrukcji ścian zewnętrznych stosuje się różne formy okładzin. Większość z nich ma na celu zapobieganie przeciekom wody do wnętrza budynku, powstrzymywanie przenikania wiatru, itp. Nawet jeśli zapewniają one pośrednie działanie izolacyjne, to nie gwarantują skutecznej izolacji cieplnej budynku. Mata aerożelowa, dzięki swojej elastyczności i podobieństwu do stosowanych dziś okładzin, może być z nimi łączona dla celów izolacyjnych.

Okna, drzwi i dach
Okna i drzwi to elementy konstrukcyjne, które generują znaczne straty ciepła i zazwyczaj są niedostatecznie izolowane. Wokół takich konstrukcji mamy do czynienia z niewielką przestrzenią. Dlatego też maty aerożelowe są znakomicie przystosowane do izolowania takich miejsc i zapobiegania stratom znacznych ilości ciepła. Kolejnym istotnym elementem, którego niewłaściwa izolacja powoduje utratę energii, jest dach. Biorąc pod uwagę fakt, że ciepłe powietrze unosi się i najbardziej prawdopodobna jest jego strata przez górne elementy budynku, zaizolowanie konstrukcji dachu ma decydujące znaczenie dla uzyskania budynku energooszczędnego. Aerożele można zastosować w membranach pokryć dachowych, podbitkach dachowych lub gontach.

Sufity i ściany
Izolacja aerożelowa może być również wykorzystana w elementach sufitu (na poziomie powyżej lub poniżej sufitu) lub podłogi(w dywanach lub jako warstwa izolacyjna pod dywanem). W ten sposób można zmniejszyć rosnącą ilość ciepła uciekającego z budynku. Ściany można izolować od wewnątrz, jeśli jest to możliwe, lub na zewnątrz budynku. Przy izolowaniu od wewnątrz aerożele lub maty aerożelowe są idealne, ponieważ zajmują znacznie mniej miejsca niż obecnie stosowane materiały izolacyjne. Aerożele lub maty aerożelowe można mocować do elementów ścian podobnie jak gładź tynkową i wprowadzać dodatkowe warstwy, np. warstwy refleksyjne. Aerożele mogą być stosowane w postaci takiej jak konstrukcyjne panele izolacyjne, bez trudu montowane wewnątrz budynku. Przy izolowaniu ściany od zewnątrz aerożel można zastosować wraz z materiałem okładzinowym, który zapewni ochronę przed warunkami atmosferycznymi. Poza ścianami, elewacje/ściany osłonowe znajdujące się w budynkach handlowych również zyskują na zastosowaniu izolacji aerożelowej dla zachowania energii.

Przemysł wojskowy i kosmiczny
Pierwotnie maty aerożelowe zostały opracowane przy wsparciu NASA do stosowania w skafandrach dla kosmonautów. Jednakże współczesna chemia i materiałoznawstwo dostarczają szeroką gamę produktów dla różnych zastosowań w przemyśle kosmicznym i wojskowym. Obejmują one izolację części rakiet, zbiorników paliwa, systemy ochrony cieplnej (TPS) w rakietach kosmicznych/statkach kosmicznych, eliminację obrazów IR, złagodzenie wybuchu, w samolotach: izolację kadłuba, izolację akustyczną, izolację kadłuba silnika, zajmującą niewiele miejsca, lekką izolację przeciwpożarową okrętów wojennych i grodzi, izolację pojazdów terenowych oraz izolację wyposażenia i sprzętu wojskowego następnej generacji, takiego jak namioty, śpiwory/poduszki lub zasilacze. Za pomocą mat aerożelowych można izolować przyrządy satelitów i ich powierzchnię zewnętrzną dla zapewnienia najlepszej izolacji cieplnej w celu ochrony wrażliwych przyrządów przed siłami zewnętrznymi. Maty aerożelowe można również stosować jako izolację części rakiet lub pocisków w celu zapobieżenia oddziaływaniu ciepła uwalnianego przy spalaniu paliwa na wrażliwe przyrządy. Za pomocą aerożeli lub mat aerożelowych można izolować okręty i łodzie podwodne dla zapewnienia doskonałej, lekkiej izolacji, zmniejszającej koszty energii i umożliwiającej elastyczne projektowanie.

Okna przede wszystkim
Jednym z głównych elementów budynku, poprzez który dochodzi do utraty energii, są okna. Większość z obecnie dostępnych okien ma niską wartość R. Takie niskie wartości izolacji można poprawić poprzez wytworzenie próżni między dwiema szybami. Jednakże szyby próżniowe są trudniejsze w produkcji, droższe i mniej niezawodne. Inne materiały izolacyjne nie mają tak dużej wartości izolacyjnej, ale mogą być półprzezroczyste. Aerożele mogą być jednocześnie półprzezroczyste i posiadać wysoką izolacyjność. Przezroczyste bloki aerożeli mogą występować w jednej części do zamontowania całego elementu okna lub w wielu częściach do złożenia razem.

Alternatywnie w szybach okiennych można stosować aerożele wzmocnione półprzezroczystymi włóknami. Podobne koncepcje wykorzystuje się w świetlikach okiennych, gdzie jednocześnie wymagana jest przezroczystość i izolacja. Panele przezroczystych aerożeli można również stosować w elementach ogrzewania słonecznego, żeby umożliwić przepuszczanie promieni słonecznych przy zachowaniu wytwarzanego wewnątrz ciepła.

Ekonomiczne, półprzezroczyste, wzmocnione włóknami, aerożelowe materiały izolacyjne stosowane do okien przepuszczających światło dzienne, wytrzymałe w procesie instalacji i produkcji, mają istotne znaczenie dla oszczędności energii. Okna przepuszczające światło dzienne wykorzystywane są do rozprowadzania naturalnego światła wewnątrz budynku. Jest to atrakcyjne zastosowanie, ponieważ okna przepuszczające światło dzienne nie muszą być przezroczyste. Wystarczy, by były półprzezroczyste, przepuszczające i rozpraszające światło dzienne, co jest często cechą, pożądaną do stworzenia przyjemnej atmosfery we wnętrzu. W domach, jednym ze źródeł światła dziennego są świetliki; obecnie dostępne świetliki nie są wystarczająco energooszczędne i nierozerwalnie wiążą się ze słonecznym zyskiem cieplnym. W niektórych klimatach dodatkowe zyski cieplne ze światła dziennego są mile widziane, w innych natomiast zysk cieplny musi być kontrolowany. Zasadniczo pożądane są efektywniejsze energetycznie rozwiązania, związane z przepuszczaniem światła dziennego, które można zaprojektować z uwzględnieniem zastosowania półprzezroczystych aerożeli, wzmocnionych włóknem jako izolatorów termicznych. Tego typu nowoczesny materiał izolacyjny zwiększa efektywność cieplną okien przepuszczających światło dzienne przy jednoczesnym spełnieniu wymogów czynników takich jak: trwałość, koszt, akceptacja użytkownika, graniczne wielkości i ochrona środowiska. Energooszczędne okna przepuszczające światło dzienne, wyprodukowane z zastosowaniem aerożelu zbudowane są z półprzezroczystego i sprężystego panelu aerożelowego, wprowadzonego pomiędzy szklane panele w oknach dwuszybowych. W porównaniu z najlepszymi obecnie dostępnymi na rynku oknami, półprzezroczyste okna dwuszybowe z 1/2-calowymi wkładkami aerożelowymi mają wartość U na poziomie 1,2 W/m2 K (0,211 BTU/stopa2 h oF) bez jakiejkolwiek powłoki lub gazów wypełniających o niskiej przewodności. Okna tego typu są efektywniejsze niż okna z oznaczeniem Energy Star o wartości znamionowej U-2 W/m2K i mogą być jeszcze bardziej skuteczne dzięki zastosowaniu szyb szklanych z powłoką termiczną i wypełnień gazem obojętnym.

Inne zastosowania
Dodatkowe zastosowania aerożeli w budownictwie obejmują taśmy zabezpieczające przed pęknięciami termicznymi dla konstrukcji drewnianych i stalowych, izolację elektrycznej tablicy rozdzielczej, izolację dla konstrukcji betonowych w niskich temperaturach (maty izolacyjne do pielęgnowania podłoży betonowych), drzwi (przekładki między dwoma panelami drewnianymi), izolowaną matę roboczą do prac budowlanych w warunkach atmosferycznych niskich/wysokich temperatur, rolety i zasłony z wykorzystaniem aerożelu, HVAC i inne izolacje kanałów, izolację strychu (łącznie z drzwiami na strych), izolację akustyczną ścian wewnętrznych, szczeliwo podwalin fundamentowych/izolację fundamentów, przekładki izolacyjne między drewnianymi nadprożami, izolację stalowych konstrukcji ramowych lub słupków, izolację drzwi garażowych, okładzin piecowych i kominów. Ponadto aerożele znajdują zastosowanie w urządzeniach domowych i technicznych, takich jak kuchenki, opiekacze, piece, lodówki, pralki/suszarki, ogrzewacze wody, zmywarki, płyty kuchenne i zamrażarki.

Dariusz Krakowski
Zdjęcia archiwum Aerożele Aspen/Nanotechnologia Aerożeli Polska