Вторник, 29 ноября, 2022

Невыносимая легкость теплоизоляции: где используют аэрогель?

Время на чтение 6 мин.

Как мы недавно выяснили, аэрогели — это класс материалов, в которых жидкий компонент, как в обычных гелях, заменен на газ. Это обусловливает низкую плотность и, соответственно, массу аэрогелей, прочность, отличные изолирующие свойства, гигроскопичность. К сожалению, эти материалы все еще сложны и дороги в производстве, поэтому пока не могут полноценно конкурировать, например, с традиционными теплоизоляционными материалами вроде минеральной ваты. Однако аэрогели уже производятся и применяются — посмотрим, где и как.

Изолируй это

Изолирующие материалы на основе аэрогеля из оксида кремния производятся уже давно. Получаются гибкие, но хрупкие листы, которые могут использовать как в низко-, так и в высокотемпературных системах и даже в одежде. Например компания Xiaomi в 2020 году представила термостойкую куртку с прокладкой из аэрогеля и нагревательным элементом внутри. Утверждается, что по изоляционным свойствам прокладка толщиной три миллиметра аналогична 40-миллиметровому слою пуха. Правда, и стоит куртка не дешево: стандартная версия обойдется в 75 долларов, удлиненная — в 90.

Невыносимая легкость теплоизоляции: где используют аэрогель?
Кнопка включения подогрева в куртке Xiaomi Supield. Подогрев питается от обычного пауэрбанка. Фото: xiaomiplanet.sk

Компания Aspen Aerogels производит на основе аэрогеля из оксида кремния изоляционные материалы, которые нашли широкое применение при прокладке подводных трубопроводов. На глубине довольно холодно, поэтому нефть становится более вязкой и ее труднее прокачивать. Традиционная изоляция на основе, например, стекловаты, делает трубы очень большими в диаметре. А вот тонкий слой аэрогеля напротив позволяет уменьшить диаметр, а следовательно, и затраты при укладке трубопровода.

Вполне возможно, что широкое внедрение теплоизоляционных материалов на основе аэрогеля — это ключ к повышению энергоэффективности зданий и производств, а значит, к снижению выбросов углекислого газа. К примеру, потребляющие большое количество энергии нефтеперерабатывающие заводы сейчас используют в качестве изоляционного материала преимущественно минеральную вату. Подсчитано (pdf), что если внедрить вместо нее аэрогель, то в одних США выбросы за последующее десятилетие снизятся на 15 %.

Еще один важный плюс аэрогеля в отличие от традиционных полиуретана и полистирола заключается в том, что в его производстве не используются разрушающие озоновый слой хлорфторуглероды. А замкнутый цикл производства аэрогеля означает, что в атмосферу не выделяется углекислый газ.

Одной из самых перспективных областей для аэрогеля является термоизоляция космических аппаратов. Для них критически важен вес: без преувеличения, каждый лишний грамм может стоить килограммы и тонны топлива ракеты, которая будет выводить полезную нагрузку на орбиту. Да и в космосе условия так себе: перепады температуры там могут достигать сотен градусов.

Преимущества аэрогеля «оценили» марсоходы Spirit и Opportunity. Благодаря новому изоляционному материалу они вполне комфортно чувствовали себя на Марсе и при температуре –140, и при +20.

Есть окошко на ближайшие десятилетия

Мы уже упомянули, что аэрогель может быть ключом к строительству более энергоэффективных зданий. Стоит сказать, что его можно использовать как теплоизолятор не только на стенах, но и на окнах. Так, компания Cabot Corporation представила полупрозрачный материал под торговой маркой Nanogel, оптическая прозрачность которого достигает 60 %. В теории прозрачность аэрогелей может достигать и 99 % при сохранении минимальной теплопроводности. Однако пока невозможно производить монолитные пластины аэрогеля размером с оконное стекло, поэтому эта область применения пока остается перспективной, но не реализованной для широкого потребителя.

Вы в ловушке

Другое уникальное свойство аэрогеля — это гигроскопичность (ну и вообще способность впитывать или улавливать мельчайшие частицы) за счет большого количества «пустых мест» в его структуре.

Сочетая в себе способность впитывать и гидрофобность, аэрогель может использоваться для удаления различных загрязнений из воды. В частности, в теории таким образом можно ликвидировать разливы нефти и нефтепродуктов. Зараженный участок в таком случае засыпается порошком из аэрогеля или накрывается своеобразным одеялом, которое впитывает загрязнение.

Аэрогель сыграл ключевую роль в проекте Stardust — миссии NASA по исследованию кометы Вильда. Целью программы было не только изучение небесного тела в космосе, но и сбор кометного вещества из хвоста, а также доставка его на Землю. Аппарат сконструировала компания Lockheed Martin Astronautics. В возвращаемой капсуле были установлены 132 ячейки, заполненные аэрогелем на основе диоксида кремния. Выбор этого материала был обусловлен тем, что он позволили затормозить летевшие на высокой скорости частицы, не допустив их перегрева. Это было критически важно: если бы в частицах находились органические молекулы, они могли бы разрушиться от высокой температуры. В результате в 2006 году на Землю были доставлены около 30 частиц кометного вещества.

Невыносимая легкость теплоизоляции: где используют аэрогель?
Ученые вскрывают капсулу с частицами из хвоста кометы. Фото: Википедия

Пригодился аэрогель и физикам, изучающим элементарные частицы. Из-за структуры материала скорость света в нем довольно низкая. Здесь нужно сделать отступление и углубиться в квантовую физику. Скорость света изменяется в разных средах — например в воде она меньше, чем в воздухе. Из-за этого элементарные частицы, которые имеют массу (а свет — фотоны — это безмассовые частицы), попадая в такую среду, могут двигаться быстрее, чем свет в ней. В результате вокруг этих частиц возникает голубоватое свечение — оно называется эффектом Вавилова — Черенкова, или просто излучением Черенкова.

Регистрируя это излучение, физики могут определить массу и направление частицы, вокруг которой оно возникает. Для этого применяются детекторы черенковского излучения. Благодаря аэрогелю свет в них замедляется, но они остаются достаточно прозрачными, чтобы физики могли зарегистрировать возникающее излучение. Такие детекторы используются в ускорителях частиц, в том числе в ЦЕРНе.


Другие статьи

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь

Enter Captcha Here : *

Reload Image