Pamatuj, že 'host' má omezené možnosti!

Aerogel byl ještě nedávno nejlehčí pevná látka na světě. Pro svou subtilnost až průhlednost dostal přezdívku zmrzlý kouř. Uplatnění našel v kosmické technologii, prosazuje se ve stavebnictví.

Ve sci-fi povídce Na dohled Cruithne (kapitola 9) poletuje po místnosti materiálová drť s tajemným názvem aerogel. Na jiném místě povídky je zase zmiňován jako účinná tepelná izolace. Přes jeho futuristický název se nejedná o žádnou novinku. Samuel Stephens Kistler ho poprvé připravil již před pětaosmdesáti lety.

Po chemické stránce je to materiál prajednoduchý, oxid křemičitý – obyčejné sklo. Důležitá je jeho struktura. Aerogel se skládá z dutých skleněných koulí o průměru v řádech nanometrů. Póry vzniklé tímto uspořádáním tvoří 95% celkového objemu. Z toho plyne neuvěřitelně malá hustota. Metr krychlový této látky váží (podle druhu aerogelu) 1,9 – 3 kilogramy. Pro srovnání, je to asi desetkrát méně než polystyren.

Vytvořit materiál složený z nanometrových dutých kuliček vypadá jako výzva pro soudobou vědu. Přesto vznikl již v roce 1931. S. Kistler zkoumal strukturu obyčejných tekutých gelů a došel k závěru, že je tvořena kapalnou fází a pevnolátkovou sítí. Nejlepší důkaz jeho teorie by podal, pokud by se mu podařilo kapalnou fázi odstranit.

První pokusy dopadly neslavně. Odpařením vody se gelová síť totálně zhroutila. Drobné póry nestačily odvádět vypařující se kapalinu a tlak strukturu poničil. Naštěstí existuje fyzikální způsob, jak se tomuto efektu vyhnout. Stačí zvýšit tlak natolik, aby vyrovnal tlak sytých par kapaliny. Pokud bude gel pomalu zahříván za neustálého růstu tlaku až do takzvané kritické teploty, budou se páry chovat jako kapalná fáze a gel se pomalu vysuší.

Úvaha to byla správná, bohužel však nedostačující. V praxi bylo třeba vodu nejprve nahradit alkoholem, který má nižší kritickou teplotu a tlak. Pro zlepšení procesu se alkohol ještě potom nahradil éterem. Nahradit vodu éterem přímo je obtížně proveditelné z důvodu rozpustnosti.

Na první pohled je zřejmé, že takto náročný postup se musí odrazit v ceně. V průběhu sedmdesátých a osmdesátých letech si potřeba levných aerogelů vynutila vývoj nových postupů, které přinesly mnohá vylepšení, jako například náhradu alkoholu tekutým oxidem uhličitým.

Aerogel unese 2000x více, než sám váží. Cihla o  hmotnosti 2,5kg podepřená dvěma gramy aerogelu. (Wikipedie)

Aerogel je nositel asi patnácti záznamů v Guinessově knize rekordů. V prvé řadě je to již uvedená nízká hustota. Za pozornost stojí také jeho pevnost. Jde patrně o důsledek téměř fraktální struktury, že taková hromada mikroskopických kuliček nejenže vůbec může držet pohromadě, ale dělá z aerogelu jeden z nejpevnějších materiálů. Snese asi 2000x větší zatížení, než je jeho vlastní hmotnost.

Díky vysoké pórovitosti a velkému vnitřnímu povrchu (1 g má vnitřní povrch až 1000 m2), je aerogel perspektivním materiálem ve farmacii jako nosič léčivých látek.

Čas od času se vynořuje myšlenka využít savé vlastnosti aerogelu pro ukládání kyslíku a raketového paliva. Sám materiál by sice ubral asi 5% objemu nádrže, ale to by se více než zaplatilo na nižší hmotnosti obalu, nemluvě o samonosnosti.

Materiál je tak řídký, že je průsvitný až průhledný. Jak je vidět na obrázku, název zmrzlý kouř si určitě zaslouží. Bohužel, není zatím natolik průhledný, aby se dalo uvažovat o tepelné izolaci okenních tabulí, ale již byl experimentálně použit při konstrukci polotransparentní střechy v Georgia Institute of Technology's Solar Decathlon House.

S výrobou transparentního aerogelu probíhají pokusy ve stavu beztíže. Dle teorie by se mělo dosáhnout vyšší homogenity materiálu a ten by pak měl být průhlednější. Otázka je, kolik by taková okenní tabule potom stála.

Velká poptávka po aerogelu přišla v roce 1980. Bylo objeveno, že se aerogel chová jako výborné médium pro detekci Čerenkovova záření. Rázem tu byl požadavek na aerogelové bloky o objemech v řádu tisíce litrů.

Demonstrace izolačních vlastností tepelné odolnosti aerogelu. (NASA)

V sci-fi povídce "Na dohled Cruithne" sehraje významnou úlohu tzv. Sluneční laboratoř. Její duté stěny jsou vyplněny aerogelem z důvodu tepelné izolace. V tomto ohledu je lepší než vakuum, kde se musí počítat také s přenosem tepla vyzařováním.

Aerogel tepelně izoluje jen asi 2x lépe, než polystren, zato vykazuje podstatně vyšší teplotní odolnost. V záporných teplotách je stálý téměř až k absolutní nule, taje teprve při 1200 C. Nabízí se tedy použití jako tepelný izolant do kosmického prostředí.

Marsovské vozítko Soujourner se na rudé planetě muselo poprat s velice nepříznivými podmínkami. Noční teploty kolem mínus sedmdesáti by spolehlivě zlikvidovaly elektroniku Soujourneru, kdyby neměl stěny vyloženy právě aerogelem. Nebylo třeba ani přitápět a teplota uvnitř neklesla pod 20 C.

S poněkud nečekaným použitím aerogelu jsme se setkali u sondy Stardust. Sonda měla za úkol nasbírat mezihvězdný prach, potom proletět ohonem komety P/Wild 2, zde nabrat vzorky prachu kometárního a nakonec pouzdro se vzorky odeslat na Zem.

Zachytit vesmírný prach není problém. Stačí nastavit sběrnou nádobu do požadovaného směru a čekat. Problém je ve vzájemné rychlosti. Mikročástečky vesmírného prachu se pohybují rychlostmi v řádu kilometrů za sekundu. Po zachycení v nádobě buď prorazí stěnu nebo se prostě vypaří.

Sběrač vesmírného prachu na sondě Stardust. Napravo aerogel se stopami po částicích vesmírného prachu. (Aldebaran)

Cesta k řešení vede přes aerogel. Stačí jím nádobu vyplnit. Částice prachu jsou brzděny postupně, deformují se jen minimálně a navíc po nich zůstává v aerogelu viditelná stopa, odkud přilétly. Z délky stopy se dá dopočítat i jejich rychlost. Částice mezihvězdného a kometárního prachu není těžké mezi sebou odlišit, právě díky různým hloubkám zanoření do aerogelu.

Dnešní výroba aerogelu je sice stále dražší než cena běžných materiálů, nicméně rozdíl není propastný. Budova zateplená aerogelem by byla sice trochu dražší, ale proti polystyrénu by měla výhodu právě v pórovitosti. Zdivo by pod izolací dýchalo. Bohužel je tu jedna nemilá vlastnost. Při styku s kapalinou si aerogel velice rychle vzpomene, z čeho povstal, a navrátí se do své původní formy – je z něj opět gel.

Přesto se aerogel pro účely stavebnictví již vyrábí v několika modifikacích. Materiál se prokládá různými zpevňujícími vlákny, aby nebyl tak křehký. Proti vodě se chrání patentovanou impregnací.

Je zřejmé, že uvedené metody jsou kompromisní a pravému aerogelu kazí některé jeho zázračné vlastnosti. Na tomto nedostatku zapracoval výzkumný tým německé firmy BASF a vyvinul materiál s podobnými mechanickými a tepelnými vlastnostmi. Tentokrát není založený na kuličkách oxidu křemičitého, ale na polyuretanových vláknech, kterým by již kontakt s vodou neměl vadit. Zda se produkt dostane z laboratoře do praxe, teprve uvidíme.

Errata:

30.05.2021 13:06