Nieuwe aerogel is precies wat ruimtevaart wil: licht en isolerend

Techniek Een licht materiaal dat een temperatuursverandering aankan van 275 °C per seconde. Dat is het ideale hitteschild.

De aerogel is zo licht dat het materiaal op de stamper van een bloem kan rusten.
De aerogel is zo licht dat het materiaal op de stamper van een bloem kan rusten. Foto X. Xu en X. Duan

Een superlicht materiaal dat toch sterk is én extreme temperaturen aankan. Deze zogeheten aerogel die Amerikaanse onderzoekers hebben ontwikkeld, is zo licht dat het op de stamper van een bloem kan blijven liggen. Het bijzondere materiaal, dat voor ruim 99 procent uit lucht bestaat, isoleert uitzonderlijk goed. Als je een twee centimeter dik laagje aerogel direct boven een honderden graden hete vlam houdt en er een bloemetje op legt, beschadigt het kwetsbare plantje nauwelijks. Een internationale groep beschrijft het deze donderdag in Science.

De combinatie van eigenschappen is gewild in de lucht- en ruimtevaart. Doordat de aerogel hoge temperaturen en snelle temperatuurwisselingen aankan, en daarbij goed isoleert, zou het bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden als hitteschild voor ruimtevaartuigen die tijdens hun tocht door de atmosfeer gloeiend heet worden.

Aerogels zijn poreuze materialen met een extreem lage dichtheid. Ze zijn bijna doorzichtig en zien er sponsachtig uit. Ze worden gemaakt door een gelachtig materiaal uit te drogen. Er blijft dan een skelet over van dunne wanden die cellen vormen met daarin lucht. Deze structuur lijkt fragiel en bros, maar door de vorm slim te kiezen kunnen aerogels stevig en veerkrachtig zijn. Ook isoleert het materiaal erg goed doordat het bestaat uit kleine compartimenten met daarin stilstaande lucht.

De basis van de huidige aerogels is vaak een keramisch materiaal zoals silicium. Maar de meeste keramische stoffen zijn bros en breken bij extreme temperatuurwisselingen. De onderzoekers ontwikkelden daarom twee nieuwe keramische aerogels. De ene was opgebouwd uit boornitride, de andere uit siliciumcarbide. In beide gevallen werd de structuur opgebouwd uit tweedimensionale, slechts één atoomlaag dikke vellen van het materiaal. Om dit voor elkaar te krijgen bouwden de onderzoekers eerst de gewenste structuur van het 2D-materiaal grafeen (opgebouwd uit koolstofatomen). Op dat grafeen-skelet lieten ze boornitride of siliciumcarbide neerslaan. Vervolgens etsten ze het grafeen weg en hielden ze een stevige, dubbelwandige structuur over.

Het resultaat is een extreem poreus en heel licht materiaal: het weegt 0,1 tot 5 milligram per kubieke centimeter. De substructuur geeft het materiaal bijzondere eigenschappen. De hyperbolische opbouw van de cellen zorgt ervoor dat het materiaal onder druk naar binnen klapt en dus smaller wordt in plaats van uitbulkt. Ook krimpt het ineen als het warmer wordt, in tegenstelling tot de meeste materialen die uitzetten bij warmte. „Deze eigenschappen zorgen ervoor dat het materiaal minder bros is en minder snel breekt onder druk en bij extreme temperaturen”, mailt hoogleraar Xiangfeng Duan, van de University of California Los Angeles.

Pannenkoek van 0,5 millimeter

De veerkracht testten de onderzoekers door een blokje aerogel van één centimeter dik samen te persen tot een pannenkoek van 0,5 millimeter. Als de druk eraf gehaald werd veerde het materiaal terug tot zijn oorspronkelijke vorm. Na meer dan honderd keer indrukken vertoonde het materiaal nauwelijks schade.

Ook temperatuurveranderingen laten de aerogel koud. Na een week bij 1.400 °C was er geen verandering in volume of sterkte te zien. Daarnaast werd het materiaal 500 keer verhit tot 900 °C en gekoeld tot -198 °C. De temperatuur werd daarbij met 275 °C per seconde gevarieerd. Ook na deze beproeving bleven sterkte en veerkracht bijna onveranderd.

Concrete toepassingen zijn er nog niet. „Maar de productie is gemakkelijk op te schalen en er zijn veel mogelijkheden die het alleen nog niet tot toepassingen gebracht hebben”, mailt Duan.