Neue Materialklasse: Hybrid-Aerogele mit Biopolymeren als Super-Isolatoren

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 30.10.2015 - Sie gelten als die besten Isolatoren überhaupt. Doch Aerogele auf Silikatbasis sind brüchig und neigen zur Staubbildung. Mit der Entwicklung eines Hybrid-Aerogels aus Biopolymeren haben Forscher der Empa und des MINES ParisTech diese Defizite nun behoben und dabei die herausragende thermische Isolationsfähigkeit des ultraleichten, porösen Feststoffes bewahrt.

In der Schweiz gelten rund 1,5 Millionen Gebäude als sanierungsbedürftig. Namentlich aufgrund der mangelhaften Isolation dieser Bauten verpufft so viel Energie, dass Experten mit einem Sparpotenzial von bis zu 70 Prozent des aktuellen Heizenergieverbrauchs rechnen. Eine bessere Isolation verkleinerte den ökologischen Fussabdruck der Eigentümer, und in volkswirtschaftlicher Hinsicht sänken die Kosten um mehrere Milliarden Schweizer Franken. Doch besonders bei historischen und denkmalgeschützten Bauwerken sind Renovationen nur innerhalb enger rechtlichen Vorgaben möglich.

Aerogele: hervorragende, unscheinbare, aber brüchige Dämmstoffe

Forscher der Empa haben vor etwa drei Jahren zusammen mit der Fixit AG einen Dämmputz ausgehend von Silikat-Aerogel-Granulat entwickelt. Dessen Wärmeleitfähigkeit beträgt nur rund 28 mWm-1K-1 (lies: Milliwatt pro Meter Kelvin), jener von reinem Silikat-Aerogel gar nur zwischen 12 bis 15 mWm-1K-1. Ein absoluter Spitzenwert. Dieser beruht auf der Struktur des Materials: Aerogele bestehen zu mehr als 95 Prozent aus luftgefüllten Poren, nur etwa fünf Prozent der Masse macht ein Netzwerk von Nanopartikeln aus. Die Luftmoleküle in den Poren können sich kaum frei bewegen. Daher werden thermische Verluste durch Wärmetransport der Gasmoleküle in den Poren auf ein Minimum verringert. Zudem sind Aerogele für das menschliche Auge mehr oder weniger transparent. Sie könnten folglich zur Isolierung von Altbauten verwendet werden, ohne den Denkmalschutz zu verletzen oder das Erscheinungsbild eines historischen Bauwerks zu beeinflussen. Doch die Verbreitung von Silikat-Aerogelen als Dämmstoff harzt. Zu teuer und zu fragil sei der Stoff, und er tendiere in der Anwendung zur Staubbildung, beklagen Fachleute.

Pektin aus Äpfeln verbessert die mechanischen Eigenschaften

In der Tat: Die Verbindungen zwischen den Silikat-Nanopartikeln sind äusserst feingliedrig, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen. Daher wollten Empa-Forscher um Matthias Koebel zusammen mit Kollegen des MINES ParisTech die mechanischen Eigenschaften von Aerogelen verbessern. Dies jedoch auf einem bis anhin kaum beschrittenen Pfad: Die Forscher entwickelten ein Hybrid-Aerogel aus Silikat und dem Biopolymer Pektin (das etwa in Äpfeln vorkommt), mit dem sie eine neuartige Stoffklasse schufen und das markant verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist. Das Hybridaerogel kann um bis zu 80 Prozent komprimiert werden, ohne zu zerbrechen. Die Wissenschaftler führen dies auf die Morphologie des Pektin-Silikat-Netzwerks zurück. In diesem seien die Nanopartikel über robustere «Stege» miteinander verbunden als die Silikat-Teilchen in klassischen Aerogelen. Durch diesen Gewinn an Widerstandsfähigkeit wird auch die Staubentwicklung von Hybridaerogelen minimiert.

Das Entscheidende dabei: Je nach Pektingehalt beträgt die thermische Leitfähigkeit zwischen 14 und 17 mWm-1K-1, also nur wenig mehr als die Wärmeleitfähigkeit von klassischen Silikat-Aerogelen. Mit ihrer Innovation erschlagen die Forscher gleich drei Fliegen mit einer Klappe: Das Hybrid-Aerogel ist mechanisch robust, isoliert hervorragend und wird aus biologischen respektive mineralischen Rohstoffen hergestellt. Ausserdem entwickelte das Team auch noch ein ökologisches Herstellungsverfahren für Hybrid-Aerogele aus einer wässrigen Lösung. Damit liessen sich beliebige Mengen Hybrid-Aerogel herstellen und industriell nutzen, stellten die Forscher in einem vor kurzem erschienenen Artikel in der Fachzeitschrift «Angewandte Chemie» in Aussicht (http://dx.doi.org/10.1002/ange.201507328).

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Dr. Matthias Koebel, Building Energy Materials, Tel. +41 58 765 47 80, Matthias.koebel@empa.ch