Aerogele

Innovative Konzepte der Wärmedämmung

Wärmedämmung ist für das Überleben des Menschen essenziell. Schon die bronzezeitlichen Bauern erreichten vor 3.000 Jahren mit zwei lehmbeworfenen Flechtwänden, in deren Zwischenraum trockenes Gras gefüllt war, exzellente Dämmwerte - damit hätten sie sogar die deutsche Wärmeschutzverordnung von 1995 eingehalten. Die Dämmkonzepte der Zukunft bauen teilweise weiterhin auf tradierten Materialien in neuem Gewand, etwa Holzschaum oder Gebäudebegrünung. Aber auch völlig neue Grundstoffe wie Aerogele drängen auf den Markt.

Gegen steigende Energiekosten helfen zwei Strategien: Entweder den Energieverbrauch einschränken oder energiezehrende Prozesse so verbessern, dass bei gleicher Wirkung weniger Energie nötig ist. Wer also für die Raumwärme nicht mehr Geld ausgeben will, muss frieren – oder für eine bessere Wärmedämmung sorgen. Innovative Dämmstoffe und -techniken sind gefragt. Dabei können die unterschiedlichsten Methoden und Materialien zum Einsatz kommen – vom reinen Naturprodukt bis zum Hightech-Kunststoff. Die aufwendigsten und effektivsten Lösungen sind bei der NASA zu finden, denn die Weltraumagentur muss ihre Astronauten vor extremen Temperaturschwankungen von mehreren Hundert Grad Celsius schützen. Diese Höchstleistung vollbringt Aerogel. Es besteht zu 95 Prozent oder mehr aus Luft, die über eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit verfügt, wenn sie sich nicht bewegt. Damit sie sich an Ort und Stelle hält, wird mithilfe von Substanzen wie Silikat oder Kohlenstoff ein hochporöses filigranes Netzwerk aufgespannt, wodurch das Aerogel trotz des hohen Luftanteils zu einem Festkörper wird. Die Poren sind dabei nur wenige Nanometer groß. Der ungewöhnliche Aufbau der Aerogele bedingt außerordentliche Eigenschaften. Könnte man seine innere Oberfläche entfalten, dann würde ein Gramm Silikat-Aerogel die Fläche eines Fußballfeldes bedecken. Das im März 2013 erstmals hergestellte Aerographen (ein Aerogel aus der Kohlenstoffmodifikation Graphen) ist mit einer Dichte von 0,16 Milligramm pro Kubikzentimeter achtmal leichter als Luft und damit der leichteste Festkörper überhaupt. Aerogele können im Verhältnis zu ihrer Masse riesige Mengen Gase oder Flüssigkeiten speichern. 

Holzschaumplatten des Frauenhofer-Instituts für Holzforschung

50 Milliarden US-Dollar Marktpotenzial

Als Wärmedämmstoffe sind Aerogele dank ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit bereits kommerziell erfolgreich – wenngleich wegen des hohen Preises derzeit nur in Nischenanwendungen. Dr. Matthias Koebel, Leiter des Bereichs Gebäude und Nanomaterialien an der zu den Eidgenössischen Technischen Hochschulen gehörenden Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz, wagt eine Prognose: „In den nächsten zehn Jahren wird sich der Preis von Silikat-Aerogel halbieren. Dann hat der innovative Isolator das Potenzial,zehn Prozent des weltweiten Dämmstoffmarktes abzudecken.“ Der gesamte Dämmstoffmarkt wird nach Koebels Einschätzung bis 2020 auf über 50 Milliarden US-Dollar pro Jahr wachsen. Die Herstellung von Aerogelen ist allerdings deutlich komplizierter als die herkömmlicher Dämmstoffe. Zunächst wird durch eine sogenannte Sol-Gel-Reaktion in einem Lösungsmittel die Netzwerkstruktur erzeugt. Dann muss das Lösungsmittel in einem aufwendigen, mehrstufigen Prozess so vorsichtig aus den Poren entfernt werden, dass die fragile Gelstruktur erhalten bleibt. Aber der Aufwand lohnt sich. Aerogele erreichen Wärmeleitfähigkeitswerte, die sogenannten Lambda-Werte, zwischen 12 und 18 Milliwatt pro Meter und Kelvin (mW/mK). „Dagegen liegen die Lambda-Werte für die heute überwiegend verbauten Dämmstoffe nach unseren Messungen eher bei 35 mW/ mK“, so Koebel. Auf dem Markt sind die Superisolatoren zum Beispiel als Leichtbeton, eine Dispersion aus Betonbestandteilen und Aerogel, als besonders leichte und dünne Dämmplatten oder als Granulat zum Verfüllen von Hohlräumen verfügbar.

Holz soll Erdöl ersetzen

Prof. Dr.-Ing. Volker Thole, Fachbereichsleiter Verfahrenstechnik und Werkstofftechnologie am Fraunhofer-Institut für Holzforschung in Braunschweig (WilhelmKlauditz-Institut, WKI) setzt dagegen auf den ältesten Werkstoff des Menschen – auf Holz. „Unser Holzschaum lässt sich genauso einsetzen wie klassische Kunststoffschäume, ist dabei aber ein hundertprozentiges Naturprodukt aus nachwachsenden Rohstoffen“, erläutert er. Holz bzw. Holzabfälle werden zunächst zu einer schleimigen Suspension zermahlen. Durch die feine Mahlung werden Inhaltsstoffe wie Zucker und Stärke freigesetzt, die in der Suspension wie ein Klebstoff wirken. Die Masse wird dann mit Gas aufgeschäumt und schließlich als Formkörper ausgehärtet. Die Lambda-Werte des druckfesten WKI Holzschaums hofft Thole auf 35 mW/mK optimieren zu können. Damit stünde der Holzschaum in nichts den erdölbasierten Kunststoffschäumen wie Polystyrol oder Polyurethanen nach. Gegenüber den Aerogelen läge er zwar noch im Hintertreffen, aber er wäre deutlich kostengünstiger und besser recycelbar. Im Vergleich mit klassischen Holzdämmstoffen wie Faservliesen oder Holzwolle hat Holzschaum darüber hinaus den Vorteil, nicht zu fasern und formstabil zu sein. Jetzt soll das am WKI entwickelte Verfahren daher vom Labormaßstab in die industrielle Fertigung übertragen werden.

Patentierter "Fassadengarten" von Optigrün

Symbiose aus Pflanzen und Solarzellen

„Warum nicht Holz in seiner biologisch aktiven Form – als Pflanze?“, fragt unterdessen Prof. Dr. Azra Korjenic vom Institut für Hochbau und Technologie der Technischen Universität Wien. Die aus Bosnien stammende Bauingenieurin erforscht Möglichkeiten und Grenzen von Gebäudebegrünung. Immergrüne Pflanzen wirken im Sommer als kühlender Hitzeschild und im Winter als Wärmedämmschicht. Gegenüber konventionellen Dämmstoffen haben sie weitere Vorteile: Sie verbessern das Mikroklima, indem sie Sauerstoff erzeugen, die Luftfeuchtigkeit regulieren, Staub und Schadstoffe filtern und Schall schlucken. Nicht zuletzt wirkt eine grüne Umgebung positiv auf die Stimmung von Menschen. Korjenic will jetzt Simulationsmodelle für den Energiebedarf von Gebäuden erstellen, deren Fassaden und Dächer begrünt sind. Die Voraussetzungen sind auf jeden Fall vielversprechend: Ein flaches Metalldach kann in Wien im Sommer eine Temperatur von 80 Grad erreichen, während ein begrüntes Dach nicht wärmer wird als die umgebende Luft. Ihr jüngstes Projekt verbindet Natur und Technik auf eindrucksvolle Weise: „Über begrünten Gebäudeflächen stelle ich mir transparente, Strom erzeugende Fotovoltaikzellen vor. Die Pflanzen erhöhen durch Kühlung der Fotovoltaikmodule den Ertrag und sorgen gleichzeitig für Wärmedämmung und eine Optimierung des Mikroklimas.“ Transparente Fotovoltaikmodule können rund 80 Prozent des Lichts für die Pflanzen durchlassen. Welches Dämmmaterial in Zukunft am häufigsten eingesetzt wird, hängt stark von den weiteren Erfolgen der Forschungsund Entwicklungsprojekte ab, aber auch von gesellschaftlichen Trends. Den besten Schutz bieten die Aerogele aus der Raumfahrt, allerdings werden sie im Vergleich mit anderen Dämmstoffen zurzeit auch noch zu „astronomischen“ Preisen gehandelt. Wer seinen ökologischen Fußabdruck auf der Welt verkleinern möchte, setzt unterdessen auf die Gebäudebegrünung – so wird auch gleich das Klima geschützt und die Aufenthaltsqualität in der Nachbarschaft erhöht. Nicht jedes Dach eignet sich jedoch zum Rasen mähen oder Unkraut zupfen, daher könnte in vielen Fällen der Holzschaum zur interessanten Alternative werden: ein Naturprodukt mit der Praxistauglichkeit eines Kunststoffs. So ausgestattet, braucht niemand mehr den langen Nordwinter oder die nächste große Sommerhitze zu fürchten.

 

Text: Dr. Ralf Schrank
Fotografie Copyright: NASA (Header), Manuela Lingnau/Frauenhofer WKI (Bild 2),
Optigrün (Bild 3)