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Von Eisbären inspirierte, energieeffiziente Gebäudedämmung

INGENIEURWISSENSCHAFTENVon Eisbären inspirierte, energieeffiziente Gebäudedämmung

Wissenschaftler haben ein von der Natur inspiriertes wärmeisolierendes Material aus Aerogel-Aerogel entwickelt, das auf der Mikrostruktur von Eisbärhaaren basiert. Dieser leichte, hochelastische und effizientere Wärmeisolator eröffnet neue Wege für eine energieeffiziente Gebäudedämmung

Eisbär Haare helfen dem Tier, Wärmeverlust bei kalten und feuchten Klimabedingungen im kalten Polarkreis zu verhindern. Eisbärenhaare sind im Gegensatz zu Menschenhaaren oder anderen Säugetieren von Natur aus hohl. Jede Haarsträhne hat einen langen, zylindrischen Kern, der durch ihre Mitte verläuft. Es ist diese Form und der Abstand der Höhlen, die dem Eisbärenhaar das ausgeprägte weiße Fell verleihen. Diese Hohlräume haben eine Vielzahl von Eigenschaften wie außergewöhnliche Wärmespeicherung, Wasserbeständigkeit, Elastizität usw., was sie zu einem sehr guten Wärmedämmmaterial macht. Die hohlen Zentren beschränken die Wärmebewegung und machen jede Strähne vom Design her extrem leicht. Außerdem hält das nicht benetzbare Haar des Eisbären das Tier warm, wenn es bei Minustemperaturen und auch unter feuchten Bedingungen schwimmen. Eisbärenhaare sind daher ein sehr gutes Modell für die Gestaltung von synthetischen Materialien, die wie von Natur aus Eisbärenhaare effizient gegen Hitze isolieren können.

In einer neuen Studie veröffentlicht am 6. Juni in Chem.haben Wissenschaftler einen neuartigen Isolator entwickelt, der sich von der Mikrostruktur einzelner Eisbärenhaare inspirieren lässt und diese nachahmt und so all seine einzigartigen Eigenschaften erhält. Sie stellten Millionen superelastischer, leichter, ausgehöhlter Carbonröhren her, die jeweils die Größe einer einzelnen Haarsträhne hatten, und wickelten diese zu einem Aerogel-Block. Der Designprozess begann zunächst mit der Herstellung von Kabelhydrogel aus Tellur (Te)-Nanodrähten als Schablone, die mit einer Kohlenstoffhülle beschichtet wurde. Dann stellten sie aus diesem Hydrogel ein Carbon Tube Aerogel (CTA) her, indem sie es zunächst trockneten und anschließend in einer Argon-Inertatmosphäre bei 900 °C kalzinierten, um Te-Nanodrähte zu entfernen. Dieses einzigartige Design macht CTA zu einem hervorragenden Wärmeisolator und auch superelastisch, da es mit einer Geschwindigkeit von 1434 mm/s zurückprallt. Dies ist im Vergleich zu allen herkömmlichen elastischen Materialien der schnellste, den es je gab. Die Autoren weisen darauf hin, dass es noch elastischer ist als Eisbärenhaare.

Aufgrund der hohlen Struktur von Carbonrohren weist das Material eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, die geringer ist als die von trockener Luft, da der Innendurchmesser des Materials geringer ist als der freie Luftweg. Das Material zeigte Langlebigkeit, indem es seine Wärmeleitfähigkeit nach 3 Monaten Lagerung bei Raumtemperatur mit 56% relativer Luftfeuchtigkeit beibehielt. Der CTA ist leicht mit einer Dichte von 8 kg/m3; leichter als die meisten verfügbaren Wärmedämmmaterialien. Es wird nicht durch Wasser angegriffen, da es nicht benetzbar ist. Außerdem bleibt die mechanische Struktur des CTA auch nach zahlreichen Kompressen-Entlastungszyklen bei unterschiedlichen Belastungen erhalten.

Die aktuelle Studie beschreibt ein neues Aerogel aus Karbonröhren – inspiriert vom Hohlröhrendesign von Eisbärhaaren – das als hervorragender Wärmeisolator fungiert. Im Vergleich zu anderen erhältlichen Aerogel-Isoliermaterialien ist dieses vom Eisbären inspirierte Hohlrohr-Design leicht, widerstandsfähiger gegen Wärmefluss, wasserdicht und verschlechtert sich während seiner Lebensdauer nicht.

Verbesserte und effizientere Wärmedämmsysteme versprechen, den Primärenergieverbrauch einzusparen. Energie ist knapp, während die Energiekosten eskalieren. Eine Möglichkeit, Energie zu sparen, ist die Verbesserung der Wärmedämmung von Gebäude. Aerogele sind bereits vielversprechend für eine Vielzahl solcher Anwendungen. Diese Studie eröffnet Wege zur Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen, die leicht, superelastisch und wärmeisolierend für Anwendungen in Gebäuden, der Luft- und Raumfahrtindustrie, insbesondere in extremen Umgebungen, sind. Aufgrund seiner extremen Dehnbarkeit wird seine Attraktivität für verschiedene Anwendungen erhöht.

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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Zhan, H. et al. 2019. Biomimetisches Carbon Tube Aerogel ermöglicht Superelastizität und Wärmedämmung. Chem.-Nr. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025

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