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Herzlich Willkommen auf der Aerogel Cluster Homepage!

Hier finden Sie neue Nachrichten zu der Arbeit des Clusters, Informationen über die Arbeit der einzelnen Arbeitsgruppen sowie die neusten Trends in der Aerogel Forschung und Entwicklung.

Falls sie mehr über den neusten Stand der Technik in der Aerogeltechnologie lernen möchten oder herausfinden wollen wie die Partner des Aerogel Clusters die vielfältigen Potentiale verschiedener Aerogelmaterialien ausschöpfen wollen, finden Sie nähere Informationen unter den folgenden Reitern.


Aerogel Technologie

Aerogele sind nanostrukturierte, offenporige Festkörper, die prinzipiell aus allen Materialien hergestellt werden können, die ein stabiles Gel bilden und unter Erhalt der Struktur getrocknet werden können. Dazu zählen verschiedene Metalle, Metalloxide und Metallchalkogenide sowie Polymere (Duroplaste, Elastomere), Biopolymere (Polysaccharide, Proteine, …), Carbonate und Phosphate. Alle Aerogele weisen einige gemeinsame Eigenschaften auf: eine extrem hohe spezifische innere Oberfläche (100 bis 2000 m2/g), Poren im Bereich von wenigen zehn bis einigen hundert Nanometern, sehr niedrige Wärmeleitfähigkeiten, hohe Schallabsorption und hohe Porositäten von mehr als 90%. Diese extremen Eigenschaften erlauben die Anwendung der Aerogele in solchen Gebieten, in denen herkömmliche Materialien versagen. Insbesondere ist das Gebiet der Wärmedämmung, unter anderem bei extremen Bedingungen, zu nennen. So werden heute empfindliche biomedizinische Güter in Aerogel-isolierten Containern transportiert, Untersee Öl- und Gas-Pipelines mit Aerogel-basierter Dämmung versehen und stark thermisch beanspruchte oder empfindliche Bauteile in Sportwägen mit Aerogelverbundmatten geschützt. Die Bekleidung von Extrem-Wintersportlern wärmt durch Aerogelgranulat deutlich besser.

Sie leisten damit bereits heute einen deutlichen Beitrag zur Energieeffizienz verschiedener Prozesse und Materialien.

Die kommerzielle Produktion von Aerogelen erfolgte bis vor kurzem ausschließlich in den USA und Europa. Zurzeit wächst die Zahl asiatischer Anbieter rasant. Die großtechnische Herstellung ist allerdings beschränkt auf nur eine Sorte dieser faszinierenden Materialien: Silica Aerogele und in geringerem Ausmaß werden auch bakelitartige Aerogele für Isolationszwecke hergestellt. Die übrigen Aerogele, insbesondere die neue Generation von Bio-Aerogelen (basierend auf Polymeren, Polysacchariden und Proteinen, auch aus nachwachsenden Rohstoffen) haben zwar ein sehr großes Anwendungspotenzial und wurden im Labormaßstab erfolgreich getestet, sind aber kommerziell noch nicht verfügbar. Dabei haben organische Aerogele zusätzlich zu einer sehr geringen thermischen und akustischen Leitfähigkeit auch sehr gute mechanische Eigenschaften, sind potenziell biologisch abbaubar und zeigen je nach angestrebtem Anwendungsfeld eine sehr breite Palette individueller, funktionaler Eigenschaften.

Somit können die Aerogele als bedeutsamer Wachstumstreiber in den unterschiedlichsten Branchen, insbesondere im Querschnitt zwischen Biotechnologie; Elektromobilität, Luft- und Raumfahrt sowie Materialentwicklung (insbesondere in der Bauindustrie) und Produktionstechnologie wirken. Dabei wird durch den Einsatz von Aerogelen nicht nur ein hersteller- und anwenderspezifischer Nutzen gesehen, vielmehr können beispielsweise mit Hilfe von „sauberen“ Polymeren auf Basis ökologisch nachwachsenden Ressourcen auch eine Reihe übergeordneter ökologischer beziehungsweise gesellschaftspolitischer Aspekte (nachhaltige Produktion, energie- und ressourcenschonend) verbessert werden.

Die größte Hürde auf dem Weg zur Kommerzialisierung dieser Materialien besteht in den fehlenden Nachweisen ihrer Funktionsfähigkeit in der industriellen Praxis (Musterproben, komplexe mechanische, akustische und thermische Belastungen unter realen Bedingungen). Dies wird aber erst dann möglich sein, wenn die entsprechenden Herstellungsprozesse im größeren Maßstab etabliert sind. Diese Prozesse erfordern zum Beispiel ein spezielles Know-How im Bereich der Hochdrucktechnik und sind daher insbesondere für hoch entwickelte Industriestandorte relevant. Der Standort Deutschland hat ein langjähriges Know-How genau auf dem Gebiet der Hochdrucktechnik sowohl in industriell realisierten Prozessen als auch in der akademischen Forschung. Durch gezielte Nutzung dieses Know-Hows wäre es möglich die Herstellung von neuen Aerogeltypen zu etablieren, deren Anwendbarkeit in verschiedenen neuen Feldern durch Herstellung geeigneter Demonstratoren nachzuweisen und dann die Produktentwicklung voranzutreiben. Dieses Ziel erfordert eine langfristige Strategie (Zeithorizont ca. 10 Jahre), die auf einer gemeinsamen Zusammenarbeit von industriellen und akademischen Partnern beruht.

Diese Herausforderung wurde von einzelnen deutschen Firmen bereits erkannt. In 2015 hat die Firma BASF nach 8-jähriger Forschung die weltweit erste Anlage zur Herstellung von organischen Aerogelen im Pilotmaßstab am Standort Lemförde in Betrieb genommen. Unterstützt durch weitere Forschungsprojekte im Verbund zwischen Industrie und akademischer Forschung bestünde damit gerade zum heutigen Zeitpunkt eine einzigartige Möglichkeit den Standort Deutschland zu einem führenden Player im Bereich der Aerogeltechnologie aufzubauen und so einen Wettbewerbsvorteil gegenüber den asiatischen und amerikanischen Herstellern und ihren Märkten zu etablieren.

Im Übrigen kann der Standort Deutschland als Ganzes insbesondere auch davon profitieren, dass große Teile der erforderlichen Hochdruck-Prozesstechnik im Grunde in der Lebensmittelindustrie aus der überkritische Extraktion bekannt sind (Entkoffeinierung, Extraktgewinnung und Trocknung biologischer Produkte) und auch bereits seit einiger Zeit im großindustriellen Maßstab eingesetzt werden. Nachdem die nationale Lebensmittelindustrie zu einem sehr hohen Anteil aus KMUs gebildet wird, bietet sich hier für den in Deutschland sehr wichtigen Mittelstand die Möglichkeit zum Aufbau neuer Geschäftsbereiche im Hochtechnologiebereich und somit der Stärkung der eigenen Marktposition im internationalen Vergleich. Gleichzeitig können bestehende Aerogel-Akteure über die Verwertung von bereits vorhandenem Know-How zu großindustriell umgesetzter Verfahrenstechnik auf nationaler Ebene Synergien bilden, die Umsetzung von Aerogelen in Anwendungen effizienter gestalten und damit gegenüber asiatischen und amerikanischen Herstellern mittelfristig einen Wettbewerbsvorteil erarbeiten.

Gleichwohl die Entwicklung von Aerogelen in Fachkreisen als Chance für den Standort Deutschland gesehen wird, verbleiben für alle Akteure, insbesondere jedoch für KMUs, noch beträchtliche wirtschaftliche und technologische Risiken bis zur Umsetzung in anforderungsgerechte und wettbewerbsfähige Produkte. Von daher ist aus der gegenwärtigen Sicht gerade in diesem anwendungsorientierten Entwicklungsbereich der Bedarf einer öffentlichen Förderung vorhanden.

Erfolgsentscheidend im Ganzen ist die gemeinsame Entwicklung der experimentellen Techniken und der Prozessmodellierung, die allen Aerogeltypen gemein sind. Insofern würde eine Bündelung einzelner Projekte ermöglichen, die Synergien optimal nutzen zu können. Nachstehend sind einzelne Herausforderungen und Ziele für eine langfristige Strategie solcher gemeinsamen Entwicklung benannt.


Langzeit Strategie

Zur Entwicklung einer langfristigen Strategie zum Thema Aerogele und Hochdruckprozesse haben sich mehrere Experten gemeinsam mit den Vertretern vom BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) und PTJ (Projektträger Jülich). Der erste Workshop fand im März 2015 in Darmstadt statt und befasste sich mit dem breiten Thema „Hochdrucktechnik als Schlüsseltechnologie energieeffizienter Prozesse – Potenziale für (in-)direkte Energieeffizienzsteigerung“. Dabei wurden aktuelle Forschungsthemen identifiziert, die in gemeinsamen Projekten zwischen der Industrie und der akademischen Forschung vorrangig verfolgt werden sollten. Insbesondere wurde festgestellt, dass die Herstellung innovativer Materialien unter Verwendung von Hochdrucktechnik ein großes Potenzial bietet, weil dadurch solche Materialeigenschaften entstehen, die mit anderen Techniken nicht zugänglich sind. Ausgehend von dieser Erkenntnis hat sich eine zweite Arbeitsgruppe herauskristallisiert, die sich insbesondere mit der Herstellung von neuen Aerogel-Materialien beschäftigt. Am 02. Juli 2015 wurde ein zweiter Workshop speziell zum Thema Aerogele durchgeführt, bei dem ausgewählte Vertreter der Industrie und der akademischen Forschung unter Beteiligung vom PTJ den Stand der Technik, Engpässe und Perspektiven auf dem Gebiet der Aerogele und deren Anwendung in Industrie-relevanten Bereichen eingehend diskutiert haben. Die Teilnehmer waren sich einig, dass es ein hoch aktuelles und viel versprechendes Thema ist und die Anzahl der Anwendungen kontinuierlich wächst. Es wurde klar erkannt, dass das in Deutschland vorhandene Know-How auf diesem Gebiet einmalig ist und eine hervorragende Grundlage darstellt, die Produktion von Aerogelen in Deutschland deutlich zu diversifizieren und mit hoher Qualität zu realisieren.

Auf Basis der bisherigen Erkenntnisse planen die beteiligten industriellen und akademischen Vertreter gemeinsame Projekte in Arbeitsfeldern, die weiter unten skizziert werden.


Aktuelle Arbeit & Ziele

Über die beschriebenen Eigenschaften von Silica Aerogelen hinaus (Nano-Porosität, hohe innere Oberfläche, geringe thermische und akustische Leitfähigkeit), bieten insbesondere organische Aerogele vielfältige zusätzliche Eigenschaften, welche gezielt modifiziert werden können. Ein besonderer Vorteil für die Verarbeitung ist die deutlich bessere mechanische Belastbarkeit organischer Aerogele und die damit deutlich reduzierte Staubentwicklung. Die Basis für diese Vielfalt sind die unterschiedliche Chemie sowie verfügbare Rohstoffe im Idealfall auf der Basis nachwachsender Ressourcen, so dass selbst flexible Materialien mit großen funktionalisierten Oberflächen realisiert werden können, deren Eigenschaftsspektrum durch herkömmliche Werkstoffe nicht abgebildet werden kann. Hierbei sind folgende Anwendungen besonders vielversprechend:

  • Thermische Isolation mit organischen Aerogelen
  • Bio-Aerogele als Träger aktiver Substanzen und Fliessmittel im Bereich Life Science
  • Aerogele als Baustoffe
  • Aerogele im Ofenbau
  • Aerogele in Gießereien
  • Aerogele für den Leichtbau
  • Aerogele als Absorber und Membranmaterialien
  • Aerogele für den Einsatz in Brennstoffzellen

Insgesamt eröffnen sich sehr viele neue Märkte bzw. werden in vorhandenen Märkten (Wärmedämmstoffe) neue Möglichkeiten erschlossen. Dies gilt insbesondere für neue Generationen von Aerogelen (organische oder funktionalisierte Silica Aerogele sowie deren Hybride). Der prinzipielle Nachweis des Anwendungspotentials ist im Labormaßstab bereits erfolgt. Es ist möglich, durch Kombination verschiedener Rohstoffe bei der Herstellung die Eigenschaften der Aerogele für einzelne Anwendungen maßzuschneidern. Der Einsatz verbreiteter (nachwachsender) Rohstoffe wie Stärke, Cellulose oder Lebensmittelproteinen ermöglicht eine deutliche Ersparnis und erhöht somit die Nachhaltigkeit.

Gleichzeitig wurden bereits neue Wege zur Herstellung von Aerogelen als Partikel und Fasern aufgezeigt. Das erlaubt die Prozesszeiten deutlich zu verkürzen und somit die Kosten und den Energiebedarf des Herstellungsprozesses weiterhin zu reduzieren. Obwohl Hochdrucktechnologien zur Herstellung vieler Aerogeltypen unumgänglich ist, da sonst die Nanostruktur im Gelkörper nicht erhalten werden kann, gibt es intensive Forschung weltweit, um Aerogele herzustellen, die ohne überkritische Trocknung direkt in warmer Luft getrocknet werden können, bei möglichst geringer Einbuße des sonst möglichen Eigenschaftsspektrum. Auf diese Weise könnten eventuell einfacher, preiswerter massentaugliche Aerogele hergestellt werden.

Insgesamt ist es damit zu rechnen, dass durch diese Entwicklungen eine deutliche Diversifizierung der Aerogeltechnologie erfolgen kann. Die Umsetzung erfordert allerdings ausgeprägtes Know-How hinsichtlich der Chemie und der passenden (Hochdruck)technologie.

Auf Basis dieser Prognose wurden einige Engpässe, die in die Kategorien Material- und Prozessentwicklung eingeteilt werden können:

Materialentwicklung

  • Weitere Diversifizierung und Evaluation der Rohstoffe zur Aerogelherstellung ist notwendig.
  • Die Beziehung zwischen Rohstoffqualität und Eigenschaften der Aerogele ist außerordentlich komplex und nur teilweise bekannt.

Prozessentwicklung

  • Die Herstellung von organischen Aerogelen im größeren Maßstab ist nicht etabliert. Aus diesem Grund fehlen die industriell relevanten Tests, um Investitionsentscheidungen zu ermöglichen.
  • Die Technologie zur Produktion von Aerogelen in Form von Partikeln und Fasern gewünschter Größe in größerem Maßstab fehlt.
  • Zurzeit erfolgt die Herstellung in Batches. Kontinuierliche Herstellung unter Integration aller nötigen Prozessschritte zwecks Senkung des Energiebedarfs ist anzustreben.
  • Eine zuverlässige Modellierung der relevanten Hochdruckprozesse (Lösungsmittelextraktion mit Hilfe von überkritischem CO2) ist nicht vorhanden, allerdings zum Scale-up der Prozesse dringend notwendig.
  • Bau der Hochdruckapparate ist auf spezifische Anforderung der Aerogelproduktion nicht abgestimmt.
  • Mögliche Integration der Aerogelproduktion in chemische Verbundstandorte ist nicht untersucht.

Auf Grund dieser Engpässe wurden die folgenden Ziele, die nur in enger Zusammenarbeit zwischen Industrie und akademischer Forschung erreicht werden können, definiert:

  • Untersuchung und Bewertung der Möglichkeit zur Herstellung von Aerogelen von preiswerteren, nachhaltigen Rohstoffen und deren Mischungen (insbesondere NaWaRo).
  • Anpassung der Produktqualität an die Anforderungen einzelner Anwendungen unter Berücksichtigung der Energieeffizienz der Herstellungsprozesse.
  • Entwicklung von Techniken zur Online-Prozessüberwachung.
  • Skalierung der vorhandenen Prozesse zur Herstellung von organischen und hybriden Aerogelen in
    größerem Maßstab basierend auf geeigneten Modellen. Etablieren von Pilotanlagen inklusive
    Zertifizierung und Nachweis des sicheren Betriebes.
  • Sprung von Batch- zu kontinuierlichen Prozessen

Diese Ziele sollen gemeinsam in langfristigen Verbundprojekten bearbeitet und verfolgt werden, um die erreichten Synergien sinnvoll nutzen zu können. Bei dem Workshop am 02. Juli wurden bereits diverse konkrete Industrie-geführte Projekte vorgestellt.


Partner
Das Aerogel Cluster ist eine Kooperation der folgenden Akteure aus der Industrie und Forschung:

  • BASF Polyurethanes GmbH
  • Bosch Rexroth
  • DLR
  • Projektträger Jülich
  • TU Dresden
  • TUHH
  • ZAE Bayern