Dubbelglas of zelfs driedubbelglas houdt veel warmte binnen, toch? Jawel, maar er lekt nog steeds veel warmte weg. Een nieuw ontwikkeld materiaal isoleert woningen veel beter, en is anders dan andere materialen bijna volledig doorzichtig.

Het materiaal is ontwikkeld door een onderzoeksgroep aan de University of Colorado in Boulder, Verenigde Staten. Die heeft een vernuftig materiaal bedacht – en geproduceerd – dat bestaat uit een uitgebreid netwerk van nanobuisjes met lucht ertussen. De nanobuisjes zijn gemaakt van polysiloxaan, een polymeer die ontstaat uit een gel die vervolgens uithardt.

Zwakste schakel

Maar eerst het grotere plaatje. In gebouwen zijn de ramen de plekken waar in koude klimaten de meeste warmte naar buiten lekt. Ook in warme klimaten zijn juist de ramen de zwakste schakel. Daar lekt de warmte naar binnen, waardoor de airco harder moet werken om te koelen. Punt is in ieder geval dat ruiten lang niet zo goed zijn in het isoleren van warmte of koude als muren.

Artikel

Zelfs dubbel en driedubbel glas – toch een flinke verbetering ten opzichte van het enkelglas van vroeger – zijn niet optimaal. ‘Hoewel ramen gemiddeld maar ongeveer 8 procent uitmaken van de totale buitenoppervlakte van een woning, zijn ze verantwoordelijk voor wel 50 procent van de warmte-uitwisseling met de omgeving’, schrijven onderzoekers van de University of Colorado in Boulder donderdag 11 december in een artikel ($) in het tijdschrift Science. 

Wazig beeld

Daarom zoeken materiaalwetenschappers naar betere alternatieven voor het (drie)dubbelglas, dat bestaat uit twee glasplaten met een stilstaand edelgas ertussen. Daarbij komen ze uit op materialen zoals silica of zogeheten aerogels, allebei materialen met poriën die met lucht zijn gevuld. Maar die hebben weer als nadeel dat de poriën vaak het licht verstrooien dat op het materiaal valt. Dat maakt het beeld wazig wanneer je door zo’n raam kijkt.

Heel transparant

Daar hebben de Amerikaanse onderzoekers nu iets op gevonden. Ze perfectioneerden een productiemethode op basis van een gel die later uithardt. In het proces, wanneer de gel nog vloeibaar is, groeien bijna vanzelf nanostructuurtjes met zodanige afmetingen dat zichtbaar licht er bijna volledig doorheen gaat. ‘De poreuze netwerken van buisjes hebben afmetingen die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht’, mailt Ivan Smalyukh op vragen van De Ingenieur. Smalyukh is hoogleraar natuurkunde aan de University of Colorado in Boulder, en leidt daar onder andere onderzoek naar materialen die zowel warmte isoleren als licht goed doorlaten.

Betere isolatie dan muren

Door de structuren in het materiaal optimaal te ontwerpen, bereikten de onderzoekers een thermische geleidbaarheid van 10 tot 12 milliwatt/kelvin/meter, schrijven ze in hun artikel, ‘wat veel lager is dan die van stilstaande lucht (rond de 27 milliwatt/kelvin/meter).’

‘Het materiaal dat we hebben ontwikkeld is transparant en isoleert warmte zelfs beter dan muren’, vertelt Jan Bart ten Hove, onderzoeker gepromoveerd in de nanotechnologie. ‘Dit laat zien dat we met de juiste materialen het energieverlies door ruiten grotendeels kunnen opheffen.’ De Nederlander werkte een paar jaar geleden mee aan dit onderzoek, maar heeft inmiddels een andere baan. ‘Ik heb meegeholpen met het verzamelen van de meeste data die in het paper is gebruikt. Dat de publicatie van de resultaten nog een paar jaar op zich liet wachten komt doordat de data nog zorgvuldig moest worden gevalideerd. Ook heeft men hard gewerkt aan het opschalen van de productiemethode van het materiaal.’

Onderzoeker Shakshi Bhardwaj houdt een plateau omhoog met blokjes van het nieuwe materiaal in verschillende diktes.

Vierkante meter

De onderzoekers in Boulder hebben de afgelopen jaren hun productiemethode voor het bijzondere materiaal verbeterd. ‘Het is één ding wanneer je een vierkante centimeter van het spul kan maken in het laboratorium, maar het is nog een klus om te zorgen dat je ook een vierkante meter kunt produceren. Dat was de stand van zaken toen ik wegging in Boulder’, zegt Ten Hove.

Een volgende logische stap is nu om op basis van dit maakproces een proef-productielijn te bouwen die stukken ‘vensterglas’ van het nieuwe materiaal kan maken. ‘Daarvoor moet je samenwerken met glasfabrikanten. Die gesprekken lopen volgens mij ook.’

Minder sterk

Het nieuw ontwikkelde materiaal wordt vermoedelijk niet als losstaand raam gebruikt. ‘Het materiaal is heel poreus, dus het grootste deel bestaat uit lucht’, zegt Ten Hove. ‘Hoewel het materiaal zelf flexibel is, is de absolute sterkte minder dan van een massief stuk glas van vijf millimeter dik. Ons materiaal zal dan ook vooral dienen ter vervanging van de isolerende tussenlaag in dubbel glas. Ook lijkt het zeer geschikt om het enkelglas van ramen in monumentale gebouwen mee te bedekken, zodat die veel beter warmte gaan vasthouden.’

Verouderingsproeven

Of het nieuwe glas net zo lang meegaat als bestaande glassoorten, moet nog blijken. De onderzoekers deden al wel verouderingsproeven, op basis van snel veranderende temperatuur en luchtvochtigheid, en die wezen uit dat het nieuwe materiaal de strijd aankan met gewoon vensterglas. Ten Hove: ‘Maar dat zal ook nog in de praktijk moeten worden bewezen. Hoe houdt het zich in weer en wind?’

Maar dan kan het positieve effect van de nieuwe ramen op het klimaat aanzienlijk zijn. ‘Bijna 40 procent van de wereldwijde energie gaat naar gebouwen. En dat levert bijna een derde van alle uitstoot van broeikasgassen op’, schrijven de twee wetenschappers Longnan Li en Wei Li in dezelfde editie van Science, in een begeleidend Perspectives-artikel ($). ‘Een bescheiden verbetering in de isolatie van ramen in gebouwen kan de wereldwijde uitstoot van CO2 met honderden megatonnen per jaar verlagen.’

 

Openingsbeeld: Onderzoekers Eldho Abraham, links, en Taewoo Lee, rechts, houden het nieuw ontwikkelde materiaal voor raamisolatie omhoog. Dat is ontworpen door onderzoekers uit de groep van natuurkundeprofessor Ivan Smalyukh, aan de University of Colorado in Boulder, V.S. Beide foto’s: Glenn J. Asakawa / CU Boulder