Témata
Reklama

Aerogel se vrátil z kosmu a míří do izolací

20. 06. 2007

V Utahu byla ještě noc, když po sedmileté misi ke kometě Wild 2 úspěšně přistálo v prostoru Dugway západně od Salt Lake City pouzdro sondy Stardust. Po téměř třech miliardách kilometrů a třech obletech slunce přineslo z ocasu komety částice hvězdného prachu, možná starší, než je naše sluneční soustava. Částice zachytil kolektor z aerogelu, nejlehčí pevné látky na planetě Zemi, při průletu pouhých 236 km od jádra.

Úspěch slaví objev starý tři čtvrtě století

Aerogely, nejlehčí pevné látky připravené člověkem, již mají na svém kontě 15 zápisů do Guinnessovy knihy rekordů. Byly sice objeveny Samuelem S. Kistlerem již v roce 1930, ale až do 90. let minulého století neměly větší praktický význam.Dnes komerčně nejznámější aerogel Nanogel vyrábí americká firma Cabot Corp., která se specializuje na výrobu jemných částic a která je největším světovým výrobcem černých sazí ("černých sazí" je nutno zdůraznit, protože vyrábí i bílé saze). Nanogel je hydrofobní aerogel superjemných částic na bázi SiO2, stejné jako má křemen, nejobyčejnější nerost na Zemi. Má podobu agregátů středního průměru 1 mm (0,5 - 3,5 mm) jemných částic nanometrové velikosti, jejichž pevná fáze tvoří nejvýše 5 % obj., přičemž 95 % obj. tvoří vzduch obsažený v pórech o průměru 20 nm (1 nm = 10-9 m), max. 40 nm. Další aerogely vyrábí NanoPore Inc., Aspen Aerogels a Aspen Systéme; jedná se o tři řady aerogelů: Cryogel, Pyrogel a Polar Bear.Hustota aerogelu Nanogel je pouhých 0,09 g.cm-3 , objemová hmotnost 9 kg.m-3 (běžný "pěnový" polystyren EPS má 30 kg.m-3) a měrný povrch 750 m2.g-1. To znamená, že 1 deci váží necelý gram a má povrch fotbalového hřiště. V laboratoři JPL připravil Steven Jones aerogel s hustotou jen 0,003 g.cm-3, obsahem vzduchu 99,8 % obj. s podílem SiO2 jen 0,2 % obj. a měrným povrchem až 1000 m2.g-1. Právě tento aerogel je od roku 2002 držitelem certifikátu nejlehčí pevné látky v Guinnessově knize rekordů.

Reklama
Reklama
Reklama
Kolektor sondy Stardust pro zachycení prachu z ocasu komety Wild 2, vytvořený dle konstrukce Jet Propulsion Laboratory, tvoří aerogelové destičky. Foto: NASA
Aerogely, téměř se vznášející ve vzduchu, jsou nejlehčí pevnou látkou na světě a s hustotou pouhých 0,003 g/cm3 mají zápis v Guinnessově knize rekordů. Foto: NASA

Tepelná vodivost nemá konkurenci

U aerogelu Nanogel má tepelná vodivost podle provedení hodnotu 9 - 22 mW.m-1K-1, u standardního NanoPore HP je to 18 mW.m-1K-1. Ve srovnání s "pěnovým" polystyrenem se 36 mW.m-1K-1 a novějším Neoporem se 33 mW.m-1K-1 a stabilizovaným proti úniku tepelného záření mikročásticemi grafitu je nejvýše poloviční až čtvrtinová. Demonstrace hovoří výmluvně; růže ohřívaná hořákem přes podložku z aerogelu nevadne a zápalky se nezapálí. Při běžných teplotách je aerogel nehořlavý a do 500 °C se nemění, výše se smršťuje. Teploty použití jsou od -200 °C do 250 °C. Volné částice se zapalují při 395 °C. Před 30 lety, ještě když byla majitelem průmyslových práv na výrobu aerogelu se značkou Santocel firma Monsanto, skončily první pokusy o použití na tenkostěnné izolace chladniček neúspěšně. Tehdejší procesy byly příliš nákladné a trh drahé materiály nepřijal. Dnes je situace jiná. Cena energie roste a proti materiálům vypěňovaným ekologicky závadnými médii stojí nezávadný a inertní materiál (sice dražší) se schopností zmenšit izolace až na čtvrtinu. Izolují se jím podmořská potrubí na zemní plyn a nádrže tankerů na zkapalněný zemní plyn (LNG) společností, které si to mohou dovolit. V sypaných lehkých kryogenických izolacích dobře vyplňuje těsné prostory a nesedá. Ve vakuovaných deskách NanoPore HP VIP (Vacuum Insulated Panels) o rozměrech až 560 x 711 x 2 - 40 mm a tvarovkách v plastové fólii s hliníkem metalizovaným bariérovým povrchem je tepelná vodivost ještě nižší, pouhé 4 mW.m-1K-1. Aerogely se používají v kosmické technice, na izolační boxy pro přepravu biologických materiálů, vakcín a léků, ale i na stany a budovy v extrémních polárních podmínkách. Izolace NanoPore tloušťky 13 mm jako trubka v trubce byla užita na tlumiče výfuků bojových vozidel AAAV americké námořní pěchoty, a to s vnitřní teplotou spalin 650 °C, přičemž na jejich vnějším povrchu je teplota jen o 23 °C vyšší, než je teplota okolí.

Tenká destička z aerogelu brání vzplanutí zápalek při ohřevu plamenem. Foto: NASA

Unikátní optické a zvukové vlastnosti

Částice mohou být průhledné i průsvitné nebo opakní. Mají nízký index lomu a rozptylují světlo. Na sklech s aerogely nedochází při nepatrné tepelné vodivosti k úniku tepla, k zamlžení kondenzací vlhkosti a orosení. Toho se využívá i u skel oken raketoplánů a kosmických stanic, oken do průmyslových pecí a reaktorů s teplotami do 800 °C. Unikátní je schopnost průsvitných vrstev aerogelu zachytit denní světlo v horších světelných podmínkách a rozptýlit je v prostoru jako difuzní tam, kam přímo nedopadá. Jsou ideálem pro osvětlení muzeí, galerií, knihoven a sportovních hal.Tohoto poznatku již využívá několik výrobců osvětlovacích panelů z plochých nebo komůrkových desek z polykarbonátu (PC) Lexan, resp. Lexan Thermoclear od GE Advanced Materials, plněných aerogelem. Skla pohlcují tepelné záření a mají klimatizační efekt. U 13mm vrstvy aerogelu je to až 27 % tepelného záření. Potlačuje lesk a umožňuje výrobu matných nebo opakních oken. Prosklení z PC vyrábí v USA mj. firmy Kalwall a Centrepoint Translucent Systems, v Evropě švýcarský Scobalit z polyesteru, britský Stoakes, německý E.M.B., francouzský Alcaud a další z PC, ze skla Pilkington a Reglit. Na rozdíl od plynem plněných či vakuovaných oken u oken plněných aerogelem jejich tepelný odpor časem neklesá. Ve Francii získala ocenění HQE (od Association Haute Qualité Environmentale) jako ekologicky významný výrobek pro architekturu. Pracuje se na umístění aerogelu i do PC granulátu a na výrobě plněných desek bez vložené mezivrstvy. Tyto granuláty určitě najdou uplatnění při výrobě plastových automobilových skel.Aerogely pohlcují zvuk nízkých frekvencí od 50 Hz s maximem při 1000 Hz, kde PC okna a panely s 16mm vrstvou aerogelu absorbují až 25 % zvuku. První zkušenosti s tlumením hluku v okolí letišť a dálnic předpoklad potvrdily.

Pouhých 2,38 g pevného aerogelu unese tisíckrát těžší cihlu hmotnosti 2,5 kg. Foto: NASA

Téměř "nic" izoluje sportovní oblečení

Podobných multiaplikačních materiálů, jako jsou aerogely, není mnoho. Mají značnou pevnost v tlaku; demonstrace ukazuje, jak destička o hmotnosti 2,38 g unese tisíckrát těžší cihlu. Podle patentu US 6704943 jsou tyto materiály navrženy k plnění pevných a lehkých cyklistických příleb jako high-end výrobků a tenisových míčků. Nejnověji se zkouší vložení velmi jemných hydrofobních částic do tepelněizolačních membrán látek na špičkové sportovní oblečení. Podle prvních ohlasů se zdá, že Nanogel čeká podobná budoucnost jako před lety membrány Gore-Tex z biaxiálně expandovaného PTFE. Již v roce 2004 běžel Sean Burch s vložkami do bot z aerogelu maraton na severním pólu ve světovém rekordu 3 h 43 min. Výbavu s aerogelem od Aspen Aerogels použila také expedice Scotta Woolumse na Mt. Everest v květnu 2006. Aspen Systems zkouší přikrývky Spaceloft a tkaniny Aerotex ve vývojovém programu s Kennedy Space Center na Floridě.Materiály nepodléhají degradaci při dlouhodobém užití, při styku se vzduchem či vlivem záření, odpuzují vodu, nepodléhají korozi a nejsou toxické. Ve vzduchu se téměř vznáší a vyžadují zvláštní manipulaci. Jsou ekologické a jako materiál založený na SiO2 snadno recyklovatelné. Průmyslově se vyrábí jen na několika místech na světě: v Cabot Nanogel ve Frankfurtu nad Mohanem, v USA v NanoPure v Albuquerque (NM), Aspen Aerogels v Northborough (MA) a Aspen Systems v Marlborough (MA). Obvykle se připravují z vodního skla technikou sol-gel a následnou dehydratací hydrogelu superkritickým sušením fluidem CO2. Firma Cabot je vyrábí originální technologií, obcházející náročné a drahé sušení. S postupným vývojem procesů se cena těchto materiálů stává přijatelnou; vzpomeňme na dobu, kdy těsnicí silikony začínaly jako nesmírně drahé a vzácné materiály. Špičkové aerogely jsou stále drahé, Aspen Systems prodává vzorky O 25 x 10 mm za 25 USD (bez poštovného); jen jejich prekursory stojí mezi 20 až 100 USD/kg, podle typu alkoxidu. Křemíková chemie však stále vyvíjí nové materiály. Dnes má katalog organických a organometalických křemíkových sloučenin americké firmy Gelest, které vede skladem a prodává po internetu, tisíce položek.

Oblíbenou aplikací jsou lehká prosklení z průsvitných komůrkových desek od Centerpoint Translucent Systems (USA), vyrobených z polykarbonátu Lexan Thermoclear a plněných 13mm vrstvou aerogelu. Foto: Centerpoint

Ing. Alexandr Abušinov

abusinov@seznam.cz

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 70602
Datum: 20. 06. 2007
Rubrika: Inovace / Materiály
Autor:
Firmy
Související články
Aplikace nanomateriálů ve strojírenství

Nanotechnologie umožňují vývoj nových generací kompozitů s vylepšenou funkčností a širokou škálou aplikací. V současnosti nanokompozity představují mnoho aplikací v mnoha průmyslových oborech. Užitné vlastnosti nanomateriálů vyplývají z jejich výjimečných fyzikálních a chemických vlastností, velikosti, tvaru či povrchové morfologii. Velikostní efekt (size efect) umožňuje výrazně zlepšovat užitné vlastnosti konvekčních materiálů. Nanotechnologie díky svému inovačnímu potenciálu již dnes výrazně ovlivňují moderní průmyslové produkty.

Pokročilé slitiny mědi a vysoce odolné mosazi

Společnost FRW Carobronze, která se specializuje na dodávky slitin mědi s pokročilými technickými vlastnostmi výrobcům v různých oborech, doplnila svoji řadu vysoce specializovaných slitin mědi o kované nebo vytlačované polotovary ze slitiny CuNi14Al2 (UN14A2) a kované nebo vytlačované polotovary z vysoce odolných mosazí CuZn19Al6 (UZ19A6) a CuZn23Al4 (UZ23A4).

Termomechanické zpracování

Globální svět s možností volného cestování a neomezeného přístupu k informacím s sebou přináší riziko chybných nebo nepřesných překladů odborných pojmů z jiných jazyků. Ve své praxi vysokoškolského lektora s předchozí zkušeností technologa se setkávám zejména v posledních letech se značným rozvolňováním odborných pojmů, které mohou vést až k matení odborné veřejnosti. V tomto příspěvku se pokusím stručně shrnout přehled a podstatu technologických postupů, označovaných v češtině pojmem termomechanické zpracování (TMZ, resp. TMP, z anglického thermomechanical processing, což odpovídá též pojmu thermo-mechanical treatment – TMT).

Související články
Fórum výrobních manažerů

Jak se odráží ve vaší výrobě stále přetrvávající nedostatek materiálových vstupů? Jak to ovlivňuje chod vaší firmy, plánování průchodu zakázky výrobou? Navýšení cen surovin musíte pravděpodobně promítnout do výsledných cen vašich produktů. Jak na to reagují odběratelé?

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Cena MM Award na EMO 2019

Také v roce 2019 došlo na udílení cen MM Award. Jedná se o oficiální a jediné ceny udělované na veletrhu EMO. Porota i letos vybírala z mnoha přihlášených exponátů, nejen německých výrobců. Do užšího výběru se jich dostalo jen pár, a nakonec bylo rozdáno pět hlavních cen v pěti kategoriích. S prázdnou neodešly ani firmy, jejichž produkty se ocitly na druhém a třetím místě. I v tomto roce došlo k jistému „posunu“ ve vnímání obsahu jednotlivých kategorií, a tedy i oceněných produktů. Pojďme se podívat na vítězné exponáty podívat jednotlivě. Je to lehký nástin toho, jak EMO vidí němečtí kolegové.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Kombinace technologií slévání a 3D tisku

Aditivní technologie přinášejí do oboru slévárenství nový pohled na věc a výrazně ovlivňují nejen proces výroby odlitků, ale i myšlení pracovníků ve slévárnách. Aditivní výroba zásadním způsobem mění zavedené pracovní postupy, systémy práce s výrobní dokumentací, technickou přípravu výroby a technologii výroby odlitků. Mění také možnosti konstrukce odlitků včetně jejich tvarové náročnosti. Proto můžeme bez přehánění tvrdit, že celou slévárnu a její postup výroby odlitků lze vměstnat do jednoho stroje - 3D tiskárny na kovy.

Moskva ve znamení trubek a drátů

Oblíbené příležitosti k setkání lidí z branží trubek a drátů se v roce 2019 uskuteční v Moskvě, ale v rozdílných termínech. Přední ruský veletrh drátů a kabelů – wire Russia – se zde uskuteční od 18. do 20. června 2019, zatímco kombinace veletrhů Tube Russia / Metallurgy Russia / Litmash Russia se bude konat o měsíc dříve. Na rozsáhlé ploše moskevského veletržního areálu Krasnaya Presnya očekávají pořadatelé v obou případech rekordní účast.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit