Reinhard Strey, Professor und Chef des Instituts für physikalische Chemie an der Universität Köln, hat ein nanotechnisches Verfahren zur Erprobung gebracht, das dem Polyurethanschaum, ohnehin einem der heute gebräuchlichsten und besten Dämmstoffe, verdoppelte Leistungsfähigkeit beibringt. Das ist bei Tausenden Gelegenheiten, vor allem aber bei der Hausdämmung oder auch bei Kühlschränken von Bedeutung.
Zwar verbrauchen erneuerte Kühlschrankmodelle mit modernisierter Technik immer weniger Energie. In den letzten Jahren hat sich das so günstig entwickelt, dass die gut zehn Jahre alte Skala der EU mit ihren sieben Energieeffizienzklassen das kaum mehr erfasst. Falls aber die neuen, nanotechnisch rasant verbesserten Dämmstoffe in die Serienproduktion eingehen, wird die EU das geplante neue Energiebewertungssystem gleich wieder novellieren müssen.
Das neue Material wird die Wärmedämmung mindestens verdoppeln, den Energieverbrauch von Kühlgeräten also mit einem Schlag halbieren und obendrein dank dünnerer Dämmschicht mehr Stauraum für Milch und Mortadella schaffen. Nach der bestehenden Energieauszeichnung müsste ein solcher Kühlschrank den Effizienz-Klasse-Aufkleber A++++ tragen.
Zwei Materialien, beide aus den Laboren der Nanoforscher, konkurrieren derzeit um die Krone für die beste Wärmedämmung – der Nanoschaum des Kölner Professors Strey auf Polyurethan-Basis und Aerogele. Führend sind gegenwärtig die Aerogele, die es mit 15 Bestmarken ins „Guinnessbuch der Rekorde“ geschafft haben. Aerogele sind unter anderem die leichtesten Feststoffe der Welt, fast so leicht wie Luft. Zugleich sind sie die besten Isolatoren für elektrischen Strom.
Wer zum ersten Mal einen Klotz Aerogel in Händen hält, traut seinen Sinnen nicht: Er ist so leicht, dass man ihn kaum spürt, und milchig-transparent wie gefrorener Rauch – ein Hauch von Nichts. Und er fühlt sich extrem warm an, weil das Material kaum Wärme aus der Haut aufnimmt. Kein Wunder, dass Aerogele auch für ihre Wärmedämmeigenschaften im „Guinnessbuch der Rekorde“ stehen.
Ihre enorm gute Dämmwirkung verdanken Aerogele den winzigen luftgefüllten Poren in ihrem Inneren, die 95 Prozent des Volumens ausmachen und in ein Gerüst aus Silikat – einer Siliziumverbindung – eingebettet sind.
Warum die Dämmung mit kleinen Poren so gut ist, wissen die Physiker seit Langem. Wärme ist nichts anderes als die Zitterbewegung von Molekülen. Und Wärmeleitung ist der Austausch dieser Energie mit den Nachbarmolekülen. In einem herkömmlichen, aber schon sehr guten Dämmstoff wie Polyurethan – kurz PUR – sind die Poren etwa 100 bis 150 Mikrometer groß. Darin haben die Luftmoleküle Platz, sich zu bewegen und ihre Nachbarn anzurempeln, sodass diese die Energie mitnehmen.
Bei Porengrößen unter 10 Mikrometer (10.000 Nanometer) nimmt die Wärmeleitung deutlich ab, in Poren unter 50 Nanometer sind die Luftmoleküle wie in einem Schraubstock eingeklemmt. Weil die Moleküle keinen Platz mehr zum Zittern haben, können sie ihre Energie nicht weitergeben, die Wärmeleitung ist gestoppt – wie in Aerogelen: Dort sind die Poren nur 20 bis 50 Nanometer klein.
Klar, dass dies auch in der Baustoffindustrie auf heftiges Interesse stößt. Seit den 30er-Jahren stellen Chemiker Aerogel her. Doch auch die Wissenschaftler in den Forschungslaboren von Firmen wie BASF oder Monsanto haben es bislang nicht geschafft, einen Produktionsprozess für industrielle Mengen in gleichbleibender Qualität zu entwickeln. Das gelang erst der US-Firma Cabot, die seit 2003 in Frankfurt am Main Aerogel unter dem Namen Nanogel produziert. Es dämmt sechsmal so gut wie Mineralwolle und doppelt so gut wie Polyurethanschaum, der bisher beste Dämmstoff.
Allerdings hat das Wunderzeugs auch ein paar Nachteile. Der entscheidende ist der, dass ein Kubikmeter davon 1600 Euro kostet. Zum Vergleich: Ein Kubikmeter Dämmwolle kostet 50 Euro. Nanogel gibt es als Granulat für Hohlräume in Wänden oder als dünne Matten, die sich nachträglich auf Fassaden befestigen lassen. Weil Aerogel milchig-transparent ist, eignet es sich auch als hochdämmender Dachfensterersatz für diffuse Oberlichter.
Bei Kühlschränken konnte sich der Nanodämmstoff bisher aber nicht durchsetzen, weil der Hohlraum zwischen Außengehäuse und dem Stauraum im Inneren ausgeschäumt werden muss, um Wärmebrücken zu vermeiden. Aerogele sind aber feste Platten, die den Hohlraum nicht richtig ausfüllen. Außerdem brechen sie leicht.
Deshalb sind die Dämmstoffhersteller auf Materialien mit Nanoporen aus, die im Gegensatz zu Aerogel zunächst flüssig sind und erst im Moment der Verarbeitung aufschäumen und sich verfestigen. Der Chemiekonzern Bayer testet in Leverkusen gerade ein Verfahren, Polyurethanschaum mit Poren herzustellen, die ebenfalls kleiner als 150 Nanometer sind. Nano-PUR hätte den Vorteil, dass er wesentlich fester ist als Aerogel und sich sogar für selbsttragende Fensterrahmen eignet.
So hat ein Konsortium aus acht Partnern einen Fensterrahmen namens „Top Therm 90“ entwickelt, der vollständig aus herkömmlichem Polyurethan besteht – aus einer harten, wetterfesten Variante außen und einem stabilen Schaum innen. Der Rahmen dämmt besser als alle bisherigen Konstruktionen. Aber mit Nanoschaum ließe sich die Dämmwirkung noch einmal drastisch steigern.
Bei ihrer Suche nach dem Nano-Traum-Schaum setzen die Bayer-Chemiker nun auf das Patent von Reinhard Strey. Dieses POSME-Verfahren (Principle Of Supercritical Microemulsion Expansion) nutzt eine Mikroemulsion zum Aufschäumen des Polyurethans. Sie enthält winzige Tröpfchen aus komprimiertem Kohlendioxid, umhüllt von Tensiden – ganz ähnlich dem Spülmittel, das Fettpartikel auf Teller und Tassen einfängt. Das Kohlendioxid dient als Treibmittel zum Aufschäumen des Polyurethans.
Diese Methode hat allerdings ihre Tücken. Damit sie funktioniert, muss die Emulsion gleichzeitig flüssig und gasförmig sein. Das ist sie aber nur bei einem Druck von über 74 bar. Senkt man den Druck, blasen sich die Gaströpfchen auf – wie wenn man eine Flasche Mineralwasser öffnet. Die Kunst besteht nun darin, die Mikroemulsion mit den Ausgangsstoffen von Polyurethan – Isocyanad und Polyol – bei hohem Druck erst zu mischen, um dann den Druck zu senken, damit sich die Kohlendioxid-Bläschen ausdehnen können. Der Schaum entsteht innerhalb von 30 bis 60 Sekunden.
Bei dieser Prozedur haben die Bayer-Chemiker noch einige Entwicklungsarbeit vor sich. Denn bisher werden die Treibmittel bei der PUR-Herstellung bei einem Druck von wenigen Bar zugemischt. Im Technikum des Bayer-Chemieparks in Leverkusen hat ein Forscherteam eine Mischvorrichtung konstruiert, die mit einem Kolben arbeitet. Mit diesem Kolben lässt sich der anfängliche Druck von 200 bar kontrolliert absenken – bis der Nano-Schaum entsteht.
Während die Bayer-Forscher an den Produktionsfeinheiten feilen, verbessern die Chemie-Wissenschaftler von Reinhard Strey die Grundmaterialien für die Produktion. Das Ziel ist dasselbe: Poren im Dämm-Material, die wie bei den Aerogelen kleiner als 50 Nanometer sind.
Doch Wolfgang Friederichs, globaler Leiter der Polyurethan-Produktforschung bei Bayer Material Science, warnt noch vor zuviel Euphorie. "Die Forschung an den Nanoschäumen kann noch Jahre dauern. Aber wir sind zuversichtlich, dass wir das Projekt zum Erfolg führen und damit einen echten Durchbruch für den Klimaschutz erzielen."
