Gebäude machen etwa 40 Prozent am weltweiten Energieverbrauch aus. Ein großer Teil der Energie geht beim Versuch verloren, die Innenräume warm oder kühl zu halten. Vor allem schlecht isolierte Fenster machen Gebäude ineffizient. Zwar gibt es inzwischen neue Technologien wie gasgefüllte Fensterscheiben, vakuumisolierte Glaseinheiten und transparente Aerogele aus Cellulose oder dem Glasrohstoff Siliziumdioxid, die eine bessere Wärmedämmung zeigen als herkömmliche Glasfenster. Allerdings sind diese Materialien oft teuer, schwer herzustellen und nur für kleinere Fenster nutzbar.
Hydrogel mit besonderen Eigenschaften
Ein Team um Amit Bhardwaj von der University of Colorado in Boulder hat nun eine neuartige Klasse an Fenstermaterialien entwickelt. Diese bestehen aus dreidimensionalen Netzwerken von winzigen Röhren aus Polysiloxanen – Silikon-Polymere mit Rückgrat aus Silizium- und Sauerstoff-Aromen –, statt aus Kugeln oder nicht-hohlen Fasern wie bei ihren Vorgänger-Aerogelen. Zur Herstellung verwendeten Bhardwaj und seine Kollegen Methyltrimethoxysilan (MTMS) als Rohstoff sowie verschiedene Zusatzstoffe. Die Chemikalien-Mischung gossen sie in eine Form und ließen sie bei 55 Grad Celsius innerhalb von 12 bis 72 Stunden gelieren. Das resultierende Silikonhydrogel wuschen sie mehrfach, um die Tenside und Lösungsmittel zu entfernen, und ließen das Gel anschließend trocknen. In dem so erstellten mesoporösen Röhrennetzwerk liegt am Ende nur noch Luft im Inneren der Poren vor.
Die Poren der auf diese Weise hergestellten Nanoröhren sind nur rund fünf Nanometer groß, die Räume zwischen den Röhrchen messen circa 20 bis 30 Nanometer. Damit sind sie kleiner als die Wellenlänge des Lichts sowie kleiner als der übliche Bewegungsspielraum von freien Luftmolekülen. Durch diesen Aufbau und die präzise geometrische Anordnung der Röhrchen sind die aus diesem Aerogel hergestellten Folien und Scheiben transparent und hochisolierend, wie das Team erklärt. Denn die eingesperrten Luftmoleküle können so kaum Wärme leiten und sichtbares Licht wird kaum am Silikon reflektiert, sondern durchgelassen. In Anlehnung an diese Eigenschaften nennen die Forschenden ihre Kreation MOCHIs: mesoporöse optisch klare Wärmeisolatoren.
Tests mit Prototypen aus diesen Materialien bestätigten, dass sie eine außergewöhnlich geringe Wärmeleitfähigkeit von nur zehn bis zwölf Milliwatt pro Kelvin und Meter haben – das ist deutlich niedriger als die Wärmeleitfähigkeit von stiller Luft, die bei rund 27 Milliwatt pro Kelvin und Meter liegt. Die Isolationsleistung dieser Fenster ist dadurch vergleichbar mit herkömmlichem Doppelglas oder sogar besser und kann ähnlich wärmedämmend wie Hauswände sein, schreibt das Team. Zudem sind die Scheiben zu mehr als 99 Prozent durchsichtig und setzen nahezu keinen Dunst an. Zum Vergleich: Glasscheiben sind zu etwa 92 Prozent transparent.
