Аэрогель, происхождение, применение

Сначала выясним, что такое аэрогель. Это самое лёгкое вещество в твердом состоянии, которое до сегодняшнего дня было известно человечеству. Двухкоренное слово состоит из латинских определений: «aer», что переводится, как «воздух» и «gelatus», означающее «твердый». Итак, аэрогель – это самое легкое в мире прозрачное и твердое вещество, которому сопутствуют такие качества, как жаростойкость и крайне низкая теплопроводность, что делает его необычайно ценным материалом во многих областях промышленности.

Происхождение и свойства

В 1931 году в журнале Nature (Калифорния, США) была опубликована статья Стивена Кистлера, рассказавшем о своем изобретении, а также о методе его получения. Сейчас, пройдя ряд усовершенствований, данная субстанция представляет собой похожее на пенопласт вещество, только гораздо прочнее (выдерживает нагрузки в 2000 раз превышающие собственную массу). Если говорить о плотности, то она составляет 1 кг/м2, что в 1,2 раза меньше плотности нашего воздуха, правда, без учета его массы. Так, что же такое аэрогель и для чего он нужен?

В первую очередь, особенно кварцевые аэрогели, это превосходные теплоизоляторы, которые можно использовать в строительстве, авиации, космонавтике, машиностроении и, конечно же, в лёгкой промышленности для пошива одежды. Кроме этого, аэрогели гигроскопичны, следовательно, их можно использовать для любых материалов, боящихся сырости – они попросту будут оттягивать влагу на себя. Для стремительно развивающегося технического прогресса на сегодняшний день наибольшую ценность представляют именно кварцевые аэрогели, хотя это еще далеко не «завершение карьеры» для такого материала.

Следует отметить, что плотность 1 кг/м2, это уже не предел возможностей, так как у металлических решеток такой показатель еще превосходней. Так, плотность графенового аэрогеля составляет 0,16 кг/м3 (немного больше у аэрографита – 0,18 кг/м3). Кстати, из углеродных (графитных) гелей уже сейчас научились изготавливать конденсаторы, которые лучше всего аккумулируют солнечную энергию. В диапазоне от 250 до 14300 нанометров такое вещество отражает всего 0,3% света, и емкость такого конденсатора составляет 77 ф/м3 или 104 ф/грамм вещества.

Продукция из аэрогеля для широкого потребителя

Можно часами говорить о том, что кварцевые сверхлегкие аэрогели необычайно эффективны, что в них нуждаются те или иные отрасли, но все это так и останется только словами. Для многих людей любое предложение станет чем-то реальным лишь в том случае, если они его смогут где-то увидеть, а ещё лучше, ощупать своими руками, потереть ладошкой или даже понюхать – такова уж наша природа. Поэтому лучше, немного поговорить о том, что уже сейчас может купить любой гражданин.

На основе стеклохолста

Любой строитель может подтвердить, что неподвижный воздух всегда являлся самой лучшей теплоизоляцией для стен и фундаментов зданий. Отсюда и пустотелый кирпич, полые перекрытия, колодцевая кладка или двойные стены в бетонных многоэтажных домах. Но время порой делает приятные сюрпризы – так случилось и на этот раз.

Аэрогель на основе стекловолокна сейчас имеет более низкую теплопроводность, нежели воздух и сохраняет свою эффективность при температуре от -200°C до 650°C, то есть, в естественных условиях такая изоляция попросту не имеет равных. Материал относится к классу НГ (не горючий) и имеет высокую устойчивость к открытому пламени. Такие полотна, где используется кварцевый порошкообразный аэрогель, имеют толщину не более 2-6 мм.

Где его применяют:

• изоляция бытовых и промышленных холодильников, морозильных камер;
• защита теплотрасс с надземным и подземным монтажом;
• в промышленности используют для защиты холодного и горячего водоснабжения (ХВС/ГВС);
• изоляция трубопроводов любого типа;
• для электрических бойлеров и других емкостей;
• защита от образования конденсата на строительных, технических и научно-исследовательских объектах;
• криогенная техника и оборудование;
• изоляция вентиляционных каналов, шахт и кессонов;
• утепление специализированной/обычной одежды и обуви;
• для защиты стен, фундаментов, кровель, лоджий, балконов, бань и саун.

Рекомендация: для парных бань и саун больше всего подходит фольгированный аэрогель, так как он одновременно служит тепло- и гидроизоляцией. Кроме того, алюминиевая фольга способна отражать инфракрасное (тепловое) излучение, что значительно облегчает устройство подобных мест гигиены и отдыха.

Aerotherm для одежды и обуви

Американская компания Aspen Aerogels на сегодняшний день предлагает для легкой промышленности свою продукцию Aerotherm толщиной от 2 до 3 мм. При этом производители могут поставлять свой товар, заблаговременно раскроив его по лекалам заказчика либо в виде холста или универсальной подкладки/подложки, из которого покупатель сам делает элементы для одежды и обуви.

В данном случае используется кремниевый аэрогель, который более чем на 90% состоит из воздуха. Для сравнения: пенополистирол или Пенопласт ПСБ-С состоит из газа только на 60%, и большинство людей считают его одним из лучших утеплителей во всех сферах. Материал является необычайно прочным, гибким и эффективным для экстремальных ситуаций. Именно по этой причине из него шьют лучшие защитные костюмы и обувь не только для полярников, но и для пожарников. Очень большим спросом Aerotherm пользуется у всех, кто занимается зимними видами спорта и, конечно же, в военной промышленности.

Из какого бы материала не шилась обувь, её теплота, в основном, всегда будет зависеть от низкой теплопроводности подошвы, ведь холодные потоки проникают именно снизу, при соприкосновении ступни с землей. Примечательно, что толщина такой стельки всего 2 мм, а это означает, что её можно вставить в любую зимнюю обувь и это будет гораздо эффективнее нескольких пар шерстяных носков! Примечательно, что такая прокладка защитит стопу не только от холода, но и от жара, если случайно наступить на какой-либо раскалённый предмет.

Теплая куртка-парка Xiaomi

Аэрогелевая куртка Xiaomi DMN, которую вы видите на верхней фотографии, получила 66 (!) патентов на оригинальные решения, которые применялись в создании этой зимней одежды. Но покупателя, прежде всего, интересуют её эксплуатационные качества.

Если сравнивать Xiaomi с другой одеждой, то по теплозащите с ней может сравниться пуховик толщиной 40 мм, а у этой куртки всего 3 мм (!) толщины – вы только вдумайтесь, какой прорыв принесли аэрогели! А ведь указанные выше 3 мм, это не толщина теплоизоляции – это суммарная толщина трёх слоёв: сверху водонепроницаемая защита от атмосферных осадков, посредине аэрогелевый утеплитель и снизу ткань, содержащая ионы серебра. Для жителей Крайнего Севера, да и любых холодных регионов такая одежда просто панацея от самых лютых морозов!

На сегодняшний день у такой куртки-парки только одна проблема – самый большой размер, 51-й по российским стандартам. То есть, по средним размерам она подойдет для роста 170-175 см, а для больших – под рост 175-180 см.

Заключение

Исходя из того, какие возможности для различных материалов уже сегодня открывает кварцевый аэрогель, можно сказать, что у него огромный потенциал и большое будущее. Вы только представьте, что костюмы, в которых можно выходить в открытый космос, станут доступными в повседневной жизни, уютные и теплые дома, добротность которых измеряется не толщиной стен, а эффективностью тоненькой изоляции. И таких перспектив откроется ещё больше!