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Bornitrid, die Basis des neuen Materials, ist superleicht. So kann eine Probe davon auch auf dem Staubgefäß einer Blume "schweben"
Quelle: X. Xu and X. Duan

Das neu entwickelte Material Aerogel ist superleicht. Und sonst? Das wirklich spannende: Es übersteht Temperaturwechsel von 275 Grad – pro Sekunde. Wofür das gut ist? Seine Erfinder sehen schon Sonden mit einem Lasersegel zum nächsten Stern sausen.

Forscher haben ein sogenanntes Aerogel entwickelt, das schnelle Wechsel zwischen minus 198 Grad und plus 900 Grad Celsius schadlos übersteht – ******* Temperatursprünge also. Und: Es besteht zu mehr als 99 Prozent aus Luft.

Das außergewöhnliche Material isoliere extrem gut und könne für den Einsatz im Weltraum geeignet sein, berichtet die Gruppe um Xiangfeng Duan von der University of California in Los Angeles in der Fachzeitschrift „Science“.

Im erdnahen Orbit können zwischen der sonnenzugewandten und der sonnenabgewandten Seite etwa einer Sonde mehrere Hundert Grad liegen. Eine Drehung bedeutet daher einen enormen und sehr raschen Temperaturwechsel.

Ein Gel, eingepackt in Graphen

Aerogele sind so porös, dass sie zu mehr als 99 Prozent aus Luft oder freiem Raum bestehen. Das macht sie extrem leicht und elastisch. Die Materialien hielten allerdings großem thermischem Gefälle oder anhaltend hohen Temperaturen oft nicht gut stand, erklären die Forscher. Ihr Ziel war die Entwicklung eines widerstandsfähigeren Materials.

Die Basis ihres Superisolators ist Bornitrid, eine Bor-Stickstoff-Verbindung, die wabenförmige Strukturen bilden kann. Diese schon sehr stabilen, flachen Strukturen banden die Wissenschaftler in ein dreidimensionales, netzartiges Gebilde ein, das sich sehr gut elastisch verformen lässt. Als Stützstruktur dient zunächst Graphen, eine ebenfalls wabenförmige Kohlenstoffmodifikation. Das Graphen wird nach dem Aufdampfen des Bornitrids bei etwa 600 Grad verbrannt, das weiß erscheinende Bornitrid bleibt übrig.

Gut isoliert in die Röhre

Dass ihr Material so gut isoliert, führen Duan und Kollegen auf drei Hauptfaktoren zurück: Erstens ist durch die sehr geringe Dichte des Materials die Wärmeleitung im Feststoff reduziert. Zwar gibt ein heißer Körper Wärmestrahlung ab, aber das ist weniger effektiv als Wärmeleitung. Zweitens existieren in der Bornitridstruktur Brüche im Bereich von Nanometern. Diese behindern die Wärmeleitung. Drittens sind die Porenwände als Doppelwände ausgestaltet und isolieren dadurch ähnlich wie Doppelglasfenster.

Um die Wirkung thermischer Schocks auf das Material zu testen, entwickelten die Forscher eine besondere Röhre: Ihr eines Ende steckt in einem Ofen, ihr anderes wird mit flüssigem Stickstoff auf minus 198 Grad Celsius gekühlt. Durch Luftstöße wird eine Probe zwischen den beiden Enden hin- und hergescheucht. Dabei ergeben sich Temperaturwechsel von etwa 275 Grad – pro Sekunde.

Material dehnt sich bei Wärme nicht aus

In einem „Science“-Kommentar heben Manish Chhowalla von der University of Cambridge und Deep Jariwala von der University of Pennsylvania in Philadelphia zwei weitere Eigenschaften des Materials hervor. Zum einen den negativen Ausdehnungskoeffizienten: Das Material dehnt sich bei größerer Wärme nicht aus, sondern zieht sich etwas zusammen. Zum anderen besitzt es eine negative sogenannte Poissonzahl: Wenn man seitlich an ihm zieht, wird es nicht flacher, sondern dehnt sich nach oben und unten aus.

Chhowalla und Jariwala können sich vorstellen, dass das Material für ein Lasersegel geeignet sein könnte. Dabei soll ein sehr leichtes Material durch Laserstrahlen auf rund 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Auf diese Weise könnte eine Sonde den erdnächsten Stern, den 4,2 Lichtjahre entfernten Proxima Centauri, in etwas mehr als 20 Jahren erreichen.

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