Non-vacuüm isolatie: extreem goede warmte-isolatie zonder luchtledig vacuüm
Wie ooit koffie warm heeft gehouden in een thermoskan, kent het principe al: tussen de binnen- en buitenwand van zo'n kan zit een vacuüm, een ruimte waaruit vrijwel alle lucht is gepompt. Omdat warmte moeilijk door het luchtledige kan reizen, blijft de koffie uren warm. Datzelfde principe wordt op grote schaal gebruikt in de bouw en de industrie, in zogeheten vacuümisolatiepanelen. Maar een vacuüm heeft een zwakke plek: zodra er ergens een gaatje in het paneel komt, stroomt er lucht naar binnen en verdwijnt het isolerende effect grotendeels. Non-vacuüm isolatie is de verzamelnaam voor materialen die bijna even goed isoleren als zo'n vacuümpaneel, maar zonder dat luchtledige — en dus zonder dat kwetsbare lek-risico.
De truc zit in de structuur van het materiaal zelf. In plaats van de lucht weg te pompen, wordt het materiaal doorspekt met extreem kleine poriën, gaatjes die vele malen kleiner zijn dan de dikte van een mensenhaar. In die nauwe kanaaltjes kan lucht zich nauwelijks meer verplaatsen, waardoor warmte er bijna net zo moeilijk doorheen komt als bij een echt vacuüm. Het bekendste voorbeeld van zo'n materiaal is aerogel, een extreem lichte, poreuze stof die soms 'bevroren rook' wordt genoemd. Non-vacuüm isolatie is daarmee geen enkele uitvinding, maar een groeiend veld van materialen en technieken die hetzelfde doel nastreven langs een andere, robuustere weg.
Wat is het precies?
Warmte kan zich op drie manieren verplaatsen: door geleiding (warmte die via direct contact van molecuul naar molecuul reist, zoals in een metalen lepel in hete soep), door convectie (warmte die wordt meegevoerd door bewegende lucht of vloeistof) en door straling (warmte die als infrarood licht door de ruimte reist, zoals de warmte van een kachel die je op afstand voelt). Goede isolatie probeert alle drie de wegen te blokkeren.
Een vacuümisolatiepaneel, afgekort VIP, pakt dit heel direct aan: door vrijwel alle lucht uit een kernmateriaal weg te zuigen en het geheel luchtdicht te verpakken in een metaalfolie, verdwijnt het medium waardoorheen geleiding en convectie normaal plaatsvinden. Er is dan bijna niets meer over om warmte te geleiden. Het resultaat is isolatie die vijf tot tien keer beter presteert dan traditionele materialen zoals minerale wol, bij een fractie van de dikte. Het probleem is de kwetsbaarheid: een schroef, een scherpe rand of gewoon veroudering van de folie kan het vacuüm laten 'inklappen'. Zodra er lucht binnendringt, zakt de isolatiewaarde met tientallen procenten, vaak zonder dat dit van buitenaf zichtbaar is.
Non-vacuüm isolatie omzeilt dit probleem door gebruik te maken van een natuurkundig effect dat bekendstaat als het Knudsen-effect. Als de poriën in een materiaal kleiner zijn dan de gemiddelde afstand die een luchtmolecuul aflegt voordat het tegen een ander molecuul botst — bij normale luchtdruk is dat ongeveer zeventig nanometer, oftewel zeventigduizendste van een millimeter — dan botsen luchtmoleculen vooral tegen de wanden van de poriën in plaats van tegen elkaar. Daardoor kan de lucht nauwelijks meer warmte transporteren via convectie, ook al is er helemaal geen vacuüm aanwezig. Aerogels, gemaakt van bijvoorbeeld siliciumdioxide, hebben poriën van doorgaans tien tot vijftig nanometer en maken hier optimaal gebruik van. Ook nieuwere nanoporeuze schuimen, zoals kunststofschuim met vergelijkbaar kleine poriën, werken volgens hetzelfde principe. Om ook warmtestraling tegen te houden, worden vaak infraroodabsorberende of -reflecterende deeltjes aan het materiaal toegevoegd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is isolatie die net zo dun en effectief is als een vacuümpaneel, maar die niet in prestatie instort bij een lekkage of beschadiging. Dat maakt het materiaal geschikter voor toepassingen waarin een vacuümpaneel praktisch lastig te gebruiken is: op plekken waar geboord, gezaagd of vastgeschroefd moet worden, of waar het isolatiemateriaal jarenlang mechanische belasting moet doorstaan zonder dat iemand er nog naar omkijkt.
Een concreet toepassingsgebied is de renovatie van monumentale of historische gebouwen. Bij zulke panden mag de gevel vaak maar een paar centimeter dikker worden, omdat anders raamkozijnen, ornamenten of de verhouding van de gevel verstoord raken. Dikke lagen minerale wol passen dan simpelweg niet, terwijl dunne non-vacuüm isolatie wel voldoende isolatiewaarde kan bieden binnen die beperkte ruimte.
Een ander toepassingsgebied is cryogene opslag: het bewaren en vervoeren van extreem koude vloeistoffen, zoals vloeibare waterstof (rond de min 253 graden Celsius) of vloeibaar aardgas (LNG). Bij dit soort temperaturen is elk beetje warmte-instroom een probleem, omdat de vloeistof dan verdampt en drukopbouw of verlies veroorzaakt. Vacuümisolatie wordt hier al lang gebruikt, maar is zwaar en kwetsbaar voor lekkage tijdens transport over de weg of het spoor; robuustere non-vacuüm alternatieven zijn daarom aantrekkelijk voor de opkomende waterstofeconomie. Ook in de ruimtevaart en in industriële leidingisolatie, waar trillingen en mechanische slijtage aan de orde van de dag zijn, speelt datzelfde argument.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de meest concrete producten is BASF Slentite, een nanoporeus polyurethaanschuim dat de Duitse chemieconcern rond 2015-2016 op de markt bracht. Het materiaal isoleert ongeveer twee keer zo goed als klassiek PIR-isolatieschuim, zonder vacuümverpakking, en werd expliciet ontwikkeld voor toepassingen waar ruimte schaars is, zoals renovaties.
Het Amerikaanse bedrijf Aspen Aerogels is al sinds de jaren negentig actief met aerogeldekens onder merknamen als Spaceloft, bedoeld voor gebouwisolatie, en Pyrogel, dat vooral wordt gebruikt om industriële leidingen en apparatuur in de olie-, gas- en chemiesector te isoleren tegen zowel hitte als koude.
Aerogel heeft ook een geschiedenis in de ruimtevaart. NASA gebruikte het materiaal tijdens de Stardust-missie (gelanceerd 1999, monsters teruggekeerd in 2006) om piepkleine kometendeeltjes op te vangen zonder ze te beschadigen, dankzij de extreem lage dichtheid van aerogel. Vanaf de Mars-rover Sojourner in 1997, en in latere missies, is aerogel bovendien gebruikt om gevoelige elektronica te beschermen tegen de extreme temperatuurschommelingen op het Marsoppervlak.
In de monumentenzorg wordt sinds ongeveer 2013 in verschillende Europese renovatieprojecten gebruikgemaakt van aerogel-pleisterproducten zoals Fixit 222 van het Zwitserse bedrijf Fixit AG, een isolerende pleister die als dunne laag op historische gevels kan worden aangebracht zonder het aanzicht van het gebouw drastisch te veranderen.
Daarnaast lopen er binnen Europese Horizon-onderzoeksprogramma's projecten die aerogel-gebaseerde isolatie onderzoeken voor tanks met vloeibare waterstof, met als doel lichtere en veiligere opslag- en transportsystemen voor de groeiende waterstofeconomie.
Hoe ver is de techniek?
Aerogel zelf is geen nieuwe uitvinding: het materiaal werd al in de jaren dertig van de vorige eeuw ontwikkeld en is sindsdien geleidelijk commercieel beschikbaar gekomen. Het knelpunt is nooit de prestatie geweest, maar de prijs. Aerogeldekens en -pleisters kosten per vierkante meter aanzienlijk meer dan minerale wol, EPS (piepschuim) of PIR-schuim, materialen die in de reguliere bouw nog altijd de standaard zijn. Productieprocessen worden geleidelijk efficiënter en goedkoper, maar een doorbraak die de kosten drastisch omlaag brengt, heeft zich tot nu toe niet voorgedaan.
Nanoporeuze schuimen zoals Slentite hebben laten zien dat commerciële productie op fabrieksschaal mogelijk is, maar de marktopname is tot dusver beperkt gebleven, vooral omdat de meerprijs voor veel bouwprojecten moeilijk te verantwoorden is zolang goedkopere alternatieven voldoen. Toepassingen in cryogene waterstofopslag bevinden zich nog grotendeels in de onderzoeks- en pilotfase; er zijn nog geen grootschalige, gestandaardiseerde producten voor de markt.
Eerlijkheidshalve moet ook gezegd worden dat aerogel niet probleemloos is: het materiaal kan gevoelig zijn voor vocht, wat de isolatiewaarde kan aantasten, en de mechanische sterkte is doorgaans lager dan die van klassieke bouwmaterialen, waardoor het vaak wordt gecombineerd met een drager- of matrixmateriaal. Onderzoek naar duurzaamheid op lange termijn en naar productie met een lagere milieu-impact loopt nog. Een duidelijk kantelpunt waarop non-vacuüm isolatie de bouwmarkt in brede zin gaat overnemen, is op dit moment niet te voorzien; het blijft vooralsnog vooral een nichetechnologie voor situaties waarin dunne, robuuste isolatie de extra kosten waard is.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is Aspen Aerogels een van de grootste producenten van aerogelmaterialen voor bouw en industrie. In Duitsland ontwikkelt chemieconcern BASF nanoporeuze isolatieschuimen zoals Slentite. In Zwitserland richt Fixit AG zich specifiek op aerogel-pleistersystemen voor gevelrenovatie, terwijl het Ierse bedrijf Kingspan, van oudsher bekend van vacuümisolatiepanelen, ook onderzoek doet naar robuustere alternatieven.
Op onderzoeksgebied is het Zwitserse instituut Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) een van de belangrijkste centra voor aerogelonderzoek in Europa, vaak in samenwerking met de nabijgelegen technische universiteit ETH Zürich. In de ruimtevaart hebben NASA, via onder meer het Jet Propulsion Laboratory, en het Europese ruimtevaartagentschap ESA decennialange ervaring opgebouwd met aerogeltoepassingen. Daarnaast financiert de Europese Unie via haar Horizon-onderzoeksprogramma's diverse projecten naar isolatiematerialen voor waterstofopslag, als onderdeel van de bredere inzet op de Europese waterstofeconomie.