Aerogel is zowel de lichtste stof als de beste isolator ter wereld. In de ruimtevaart gaat het om zo min mogelijk gewicht en zo groot mogelijke prestatie. Om ruimtesondes goed te isoleren met weinig gewicht, gebruikt NASA aerogel.

Hoe wordt warmte overgebracht?

Isolatie heeft veel te maken met thermische geleidbaarheid. Oftewel, hoe goed iets warmte kan geleiden. Als iets warms en iets kouds elkaar lang genoeg aanraken, dan krijgen ze uiteindelijke dezelfde temperatuur. Dit betekent dat als je in huis geen verwarming aan hebt staan en niet op andere manieren je huis afkoelt of opwarmt, alles ongeveer dezelfde temperatuur zal worden. Ook al voelt het misschien niet zo. Dus een ‘koude’ metalen deurklink is dezelfde temperatuur als het ‘warme’ tapijt. 

Maar waarom voelt het tapijt dan warmer aan? Je Lichaam voelt niet warmte of kou aan. Je lichaam voelt alleen of het energie opneemt. In andere worden of het verwarmt of afkoelt. Denk maar aan wanneer je buiten in de kou bent geweest en hele koude handen hebt. De koude kraan voelt lauw of misschien zelfs warm aan. Omgekeerd werkt het ook, hoe sneller iets je afkoelt, hoe kouder het aanvoelt.

De metalen deurklink is dus beter in je hand af te laten koelen. Het tapijt en de deurklink zijn beide kouder dan je lichaam maar de deurklink neemt sneller meer warmte op van je hand dan het tapijt. Hierdoor lijkt de deurklink kouder.  

Het doel van een isolator is om zo langzaam mogelijk warmte te geleiden. Maar hoe vertraag je de geleiding van warmte? Om dit te begrijpen moet je eerst weten hoe warmte zich kan verplaatsen. Er zijn drie manieren hoe warmte zich verspreidt:

  • Geleiding door vaste stof
  • Energie overdracht door gas
  • Geleiding door straling. 

Hoe rem je geleiding door een vaste stof af?

Er zijn een paar manieren om dit te doen. Zoals eerder besproken zijn sommige stoffen beter in het geleiden van warmte dan andere stoffen. Het is dus belangrijk dat je voor een isolator een stof kiest die slecht geleid.

Een andere manier is de dichtheid van een stof zo laag mogelijk houden. Een stof met lagere dichtheid transporteert namelijk minder goed warmte. Aerogel staat er om bekend dat het een ontzettend lage dichtheid heeft. Dit voor isolatie dus een pluspunt.

De lage dichtheid van aerogel brengt echter wel een ander probleem met zich mee. Hoe lager de dichtheid van een aerogel, hoe beter het gas in de aerogel warmte kan geleiden. Om dit te voorkomen kan je de lucht in de aerogel vervangen door een gas die slechter geleid. Dit is echter maar een tijdelijke oplossing. Deze nieuwe gas zit niet vast in de aerogel. Na een tijdje stroomt het ingebrachte gas weer naar buiten en wordt vervangen door normale lucht.

Het handige aan aerogel is dat de structuur van het aerogel ervoor zorgt dat het ingesloten gas minder met elkaar in contact staat. Dit zorgt ervoor dat de gasmoleculen moeilijker met elkaar in aanraking komen en zo met meer moeite warmte overdragen.

Dan nog de radiatie, warmteverplaatsing door straling, dit is wel een probleem bij aerogel. Hoe lager de dichtheid van een aerogel is, hoe meer licht de gel doorlaat. Je kan de hoeveelheid licht dat door de aerogel heen gaat verminderen door de dichtheid te verhogen. Maar als je de dichtheid verhoogt neemt de warmte geleiding door vaste stof weer toe. Er is een bepaalde dichtheid waar de geleiding door lucht-straling en gas bij elkaar opgeteld het laagst is. Dit verschilt per situatie. Als de aerogel bijvoorbeeld op een donkere plek wordt toegepast hoef je minder te compenseren voor warmteverplaatsing door licht.

De ontwikkeling van aerogel door NASA

Aerogel is van nature ontzettend breekbaar. Als het mogelijk zou zijn aerogels te maken die sterker zijn, opent dit een wereld van nieuwe toepassingen van aerogel. NASA heeft een belangrijke uitvinding gedaan op dit gebied.

Door de aerogel te laten reageren met polymeren, lange moleculen van één identiek aan elkaar gekoppeld kleiner molecuul, ontstaat er aan de binnenwand van de aerogel een klein laagje van het polymeer. Dit versterkt de aerogel met orde van grootte 2, ofwel met 100 keer. De aerogel is door dit ‘simpele’ trucje 100x zo sterk als niet versterkt aerogel met dezelfde dichtheid. Deze gels hebben ook nog eens dezelfde isolatie eigenschappen als niet versterkt aerogel.

Wie wilt nou niet met hetzelfde lichaam 100x zo sterk zijn? Inmiddels heeft NASA veel verschillende aerogels gemaakt van verschillende polymeren via deze gepatenteerde methode.

NASA onderzoekt aerogel
NASA heeft veel onderzoek gedaan naar verschillende aerogel. Credits: NASA

Een sterk aerogel is leuk en aardig, maar het zou natuurlijk nog mooier zijn als deze flexibel gemaakt kan worden. Een flexibel aerogel heeft veel voordelen ten opzichte van niet flexibel aerogel. Ten eerste is het natuurlijk veel eenvoudiger om een flexibel materiaal te gebruiken dan een niet flexibel materiaal. Ten tweede is de kans dat een flexibel materiaal breekt bijna 0 tegenover een hele hoge kans van barsten van een niet flexibel materiaal. Ook nu helpt NASA ons weer uit de brand.

NASA heeft een manier gevonden om aerogels te maken die helemaal uit polymeren bestaan en hierdoor flexibel zijn. Deze kan tevens in de vorm van een hele dunne vlies worden gemaakt, een vaardigheid die voorheen onmogelijk was. Deze nieuwe isolatoren zijn ook nog eens heel erg stabiel onder hoge temperaturen (dus handig voor ruimtevaart). Net als het versterkte aerogel hebben deze aerogels dezelfde isolatie eigenschappen als ‘normale’ aerogels. Maar door de flexibiliteit, sterkte en de mogelijkheid om er een dunne vlies van te maken zijn deze aerogels revolutionair.  

NASA gebruikt aerogel om gewicht te besparen

Zoals te verwachten zijn de eigenschappen van aerogel ook heel erg geschikt voor de ruimtevaart. Doordat aerogel zo ontzettend licht en goed isoleert, is aerogel het perfecte materiaal voor NASA om ruimtesondes te isoleren. Een kilo de ruimte in te brengen kost ongelooflijk veel energie.

Het is daarom des te belangrijker sondes zo licht mogelijk te maken. Hierdoor kan er meer gewicht worden gebruikt om de meetinstrumenten van de sondes te optimaliseren. Als isolator is aerogel dan ook niet te missen. Met deze isolator kan er meer gewicht worden besteedt aan technologie die nieuwe ontdekkingen moet gaan doen terwijl het gevaar dat de sonde te koud of te warm wordt niet aanwezig is.

Aerogel werd door NASA gebruikt in Stardust

De missie Stardust was een van de eerste missie die gebruik maakte van aerogel. Dit was een missie in 2004 om deeltjes van kometen te vangen en die terug te brengen naar de Aarde. De deeltjes van de komeet gaan ongeveer 6x zo snel als een kogel uit een wapen. Om deze kracht op te vangen is een ongelooflijke kracht nodig.

Aerogel bleek de oplossing te zijn. Door aerogel korrels te nemen ter grootte van zandkorrels, konden de snelle deeltjes rustig en zacht afgeremd worden zonder dat deze braken en/of vervormden. Ook de chemische samenstelling van de deeltjes verandert niet. Hiervoor hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van een variërende dichtheid. De dichtheid is aan de buitenkant van de aerogel laag. Hoe verder de deeltje binnen dringen, hoe hoger de dichtheid wordt. Hierdoor wordt de snelheid dus geleidelijk en veilig afgeremd.

NASA Mars rover heeft aerogel isolatie

Maar ook de NASA mars rovers worden tegenwoordig ingepakt met aerogel. Overdag kan de temperatuur op mars lekker 20°C zijn en ’s nachts -90°C. De rovers moeten dus tegen enorm variërende temperaturen kunnen. De meest recente Mars rover Perseverance is daarom uitgerust met een laagje aerogel. Deze laag zorgt ervoor dat de rover op een goede temperatuur blijft en de elektronica correct blijft functioneren.

Verder is het gewicht dat naar Mars gestuurd kan worden is helaas nog beperkt. Er moet dus optimaal worden omgegaan met het gewicht. Aangezien aerogel zo ongelooflijk licht is en toch nog goed isoleert, is dit de perfecte optie. Er kan nu meer gewicht worden gebruikt om de techniek van en veiligheid voor de Mars rover te verbeteren.