「フローズンスモーク」がガラスレンガを強くし、断熱性を高める

1930 年代に発明された材料が建物の建設方法にどのような革命をもたらすか

NASA のスターダスト計画は、彗星の尾から塵を収集し、地球に戻すことに成功しました。 ... [+] 収集媒体として使用されるエアロゲルは JPL で開発されました。 この 2002 年の写真は、スターダスト宇宙船の飛行試験で使用されたトレイを持つピーター・ツォウ博士です。 スターダストで使用されているものと同じです。 (写真提供: Ken Hively/ロサンゼルス・タイムズ、ゲッティイメージズ経由)

1999 年、NASA は、遠く離れた彗星の尾から塵のサンプルを収集し、それらのサンプルの一部を地球に持ち帰るという野心的な使命を持った宇宙船を打ち上げました。 ケープカナベラルから打ち上げられてから 1 年後、スターダスト宇宙船は最初の星間塵を収集しました。 それから 4 年後、それは目標である彗星 81P/ワイルド (ワイルド 2 としても知られる) に到達し、サンプルコレクターを配備しました。 「特大のテニスラケットにセットされた金属製製氷皿」のように見えると形容されるこのコレクターの主成分は、驚くべき軽量で半透明の発泡体であるシリカエアロゲルでした。 塵の粒子がエアロゲルに衝突すると、粒子はエアロゲルの中に埋まり、ゆっくりと減速して停止します。 エアロゲルは粒子を所定の位置に保持し、保存しました。 2006 年にサンプル帰還カプセルが最終的に地球に帰還したとき、そのカプセルには数万個の粒子が含まれており、研究者や一般の人々が太陽系の構成要素の一部を研究できるようになりました。

60 年以上前に発明されたエアロゲルは、これまで知られている中で最も軽い固体材料の 1 つです。 さまざまな化合物から作ることができますが、シリカをベースにしたものが最も一般的です。 これを作るには、二酸化ケイ素と溶媒を組み合わせて、Jell-O に構造的に似た湿った多孔質ゲルを生成します (ただし、だまされないでください。これは食用ではありません*)。 次に、超臨界乾燥と呼ばれるプロセスを経て、流体 (二酸化炭素など) の存在下でゲルを加圧および加熱します。 正しく行われると、構造を損傷することなく、ゲルから液体が除去され、空気と置換されます。 固体ではあるが非常に低密度のゲルの骨格が残され、エアロゲルに有名な幽霊のような外観が与えられます。 シリカ エアロゲルには「凍った煙」や「固体雲」などのニックネームが付けられており、気孔率は 90 ～ 99.8% の間であり、エアロゲルは実際にはほとんどが空気です。 これにより、超軽量になるだけでなく、 それはまた、それらが効果的な断熱材になる可能性があることを意味します。

そして、ここはシリカエアロゲルが地球上で最も多く使われている場所です。

建物のエネルギー効率を高めることは、低炭素の未来への移行の重要な部分です。 この分野の現状は良くありません。 国際エネルギー機関によると、建物の運営は世界のエネルギー消費のなんと 30% を占めています。 そして国連環境計画は、この割合は近年減少するどころか、依然として増加していると言っています。 建物のエネルギー需要は 2020 年から 2021 年の間に約 4% 増加し、過去 10 年間で最大の増加となりました。

その一部は、都市人口の増加、つまりより多くの人々、より多くの建物によって引き起こされていますが、高いガラス張りの超高層ビルに対する私たちの執着も影響しているようです。

断熱材は建物の熱性能を向上させるのに役立ちます。 写真家: セルジオ・フローレス/ブルームバーグ

建物のエンベロープ (外殻) の設計とその構築に使用される材料は、建物の最終的なエネルギー消費に大きな影響を与えます。 壁、床、天井、窓、階段の吹き抜け、ドア、エレベーター シャフト、屋根が組み合わされて、構造全体の熱性能が決まります。 これにより、その建物が入居した後に快適な室内温度を維持するためにかかるコストが決まります**。

断熱性能を高めるということは、一般に断熱材の厚さを増やすことを意味します。 コンクリート、木、レンガなどで作られた不透明な壁の場合は問題ありません。 市場には、廃棄物から作られたものやエアロゲルから作られたものなど、数え切れないほどの断熱材があります。

エアロゲルが建設プロジェクトで初めて使用されたのは 20 年以上前です。 当時も現在も最も一般的なアプローチは、材料をガラス、鉱物、または炭素繊維と組み合わせて、壁や天井の後ろに設置できる超断熱ブランケットを作成することでした。 最近になって、メーカーはエアロゲルの光学特性を利用し始めました。 その小さなペレットを強化ポリカーボネートパネルの間に挟んで、建物に組み込むことができる非耐荷重半透明パネルを形成します。 これらのエアロゲル パネルは現在、世界中の学校、博物館、スポーツ センター、教会、病院、アリーナ、空港で見られます。 これらを非常に便利にしているのは、プロパティのユニークな組み合わせです。 半透明であるため、日光は通過しますが、熱伝導率が低いため、熱損失が最小限に抑えられます。

今週Journal of Building Engineeringに掲載された新しい論文は、そのリストに別の特性、つまり構造強度を追加したようです。

スイス連邦科学技術研究所の研究者は、これまで報告されている中で最も高い断熱性能を持つ、シリカエアロゲルを充填した新しいガラスレンガを設計した。 さらに、そのレンガは標準的な粘土断熱ブロックよりも何倍も強力です。

これらのエアロゲルを充填したレンガは、効果的な... [+] 断熱材として機能しながら、拡散光を通過させます。

「エアロブリック」には、標準フロート ガラス、エポキシ、エアロゲルの 3 つの主要コンポーネントがあります。 ガラスは構造の大部分を形成しており、最高のパフォーマンスを発揮するプロトタイプには 4 つのガラス片が使用されています。 エポキシはレンガの外縁をシールするために使用されます。 また、ガラス板を結合するジグザグ状のスペーサーを形成するように成形され、エアロゲル顆粒を充填できる空洞が形成されます。 最終的なレンガの寸法は 50 × 13.6 × 8.4 cm 20×5×3インチ]

彼らは、エアロゲルを充填したガラスレンガの透過率を直接測定しませんでしたが、個々の成分に基づいてそれを推定することができました。 彼らによると、可視光の 38% 以上がレンガを通過しますが、これは現在の市販品よりも低い値です。 言い換えれば、これらのレンガで作られた壁は、エアロゲルを充填したポリカーボネート パネルよりもわずかに少ない光を透過する可能性があります。

チームの他の結果は、より有望なものでした。

彼らは、大規模なガード付きホットプレートを使用して、レンガ (およびレンガを 6 列並べたモックアップ壁) の熱性能を測定しました。 また、熱解析ソフトウェアを使用してレンガのシミュレーションも行いました。 結果はかなり近い一致を示しました。測定された熱伝導率は 53.0 mW/(m・K) で、シミュレーション値は 50.5 mW/(m・K) でした。 これにより、「文献で報告されている、または市場で入手可能な」ものよりも絶縁性が高くなります。 多くの不透明な断熱材よりも熱を閉じ込めるのに優れています。

各レンガの強度を理解するために、彼らはレンガを圧縮試験機に入れました。圧縮試験機は、材料に大きな力を加え、材料が壊れるまで徐々に力を増加させる機械です。 このテストでは、レンガの圧縮強度がほぼ 45 MP であることがわかり、ポリカーボネート パネルとは異なり、耐荷重構造での使用に適していることが示唆されました。

各レンガは、エポキシのスペースで区切られた 4 枚のガラス板で作られています。 エアロゲル顆粒は、結果として生じる各空洞を埋めるために使用されます... [+]

研究者らは自らの発明について特許出願を行っており、エアロレンガは窓の代わりとしてではなく、周囲の壁の代わりに最適であると述べている。 彼らは、「…機械的に自立する半透明のファサードを備えた建物の外皮を作成する可能性を開く…。断熱性が高いだけでなく、建物の内部に自然光を取り込むこともできる。」と書いています。

私たちの多くが屋内で長時間を過ごし、都市の密度が高まり、都市部の住宅でのエネルギー消費量を削減することが緊急に必要とされていることから、これらのレンガは人気を博すかもしれません。

* エアロゲルの主成分であるシリカゲルについてはご存知かと思います。 小さなビーズに成形され、小さな浸透性の袋に詰められており、市販の製品から湿気を吸収する乾燥剤として一般的に使用されています。

** コストが膨大になる可能性があります。 世界的に見て、暖房と冷房は建物で消費される全エネルギーの 3 分の 1 から 2 を占めています。