Aerogély v architektúre, stavebníctve a pamiatkovej obnove: aktuálny výskum aj praktické skúsenosti v rozhovore s Michalom Ganobjakom

Vývoj nových technológií v stavebníctve neustále napreduje. Materiály o ktorých sa v posledných rokoch čoraz intenzívnejšie diskutuje sú aerogély. Na túto tému bolo publikované množstvo teoretických článkov (nielen) v populárno-vedeckej literatúre. Aké sú však akutuálne skúsenosti nielen z oblasti výskumu, ale najmä z praktického využitia materiálov na báze aerogélov? Aké sú ceny takýchto riešení? Nájdeme prvé lastovičky už aj na Slovensku? Aj na tieto otázky sme sa snažili hľadať odpovede z naozaj kompetentným odborníkom.

Michal Ganobjak, je vedeckým pracovníkom v Švajčiarskom materiálovom výskumnom ústave Empa, ktorý patrí pod ETH Zürich. Predtým pôsobil ako vedecký pracovník na Ústave histórie a teórie architektúry a obnovy pamiatok na Fakulte architektúry Slovenskej technickej univerzity (FA STU) v Bratislave. V prvom ročníku magisterského štúdia absolvoval medzinárodný študijný program zameraný na trvalo udržateľnú architektúru na Hogeschool voor Wetenshap a Kűnst na Sint Lucas Brusel (Gent) v Belgicku. Inžiniersky titul získal na Fakulte architektúry STU. Jeho dizertačná práca bola zameraná na aplikáciu nových materiálov na báze silika aerogélu pre historické budovy pri obnove priemyselného kultúrneho dedičstva. Dizertačná práca analyzuje, kde a za akých podmienok môžu aerogély oxidu kremičitého využité pri konverzii stavieb priemyselného dedičstva – historických priemyselných budov, pri adaptácii týchto pamiatok pre nevýrobné využitie. Michal odvtedy pôsobil ako výskumný pracovník na FA STU do mája 2020 vo výskume aplikácií aerogélov pri obnove kultúrnych pamiatok.

Jeho súčasný výskum je orientovaný na potenciál materiálov s aerogélom pre architektúru a stavebníctvo, vrátane citlivej pamiatkovej obnovy. Michal získal Fulbrightovo štipendium na výskumný pobyt na MIT - Massachusetts Institute of Technology Cambridge (USA), na výskum témy Aerogély v ochrane kultúrneho dedičstva. Do mája 2020 pracoval na postdokorandsom výskume v Empe - interdisciplinárnom výskumnom ústave materiálov na tému "Podpora vedomostí a aplikácií nových aerogélových superizolácií v architektúre a stavebníctve" počas štipendia Marie Curie-Sklodowska, ktorý získal od Európskej Komisie v rámci Horizontu 2020. V súčasnosti pracuje na výskume financovanom nadáciou Velux Stifftung na vývoji priesvitných prvkov pre obvodové steny.

Michal je spoluautorom rekonštrukcie a konverzie priemyselného kultúrneho dedičstva - objektu Elektrárne Piešťany na kultúrne centrum, ktoré navrhli ešte ako študenti spolu s Vladimírom Hainom a do realizácie spracovali spolu s Adom M studio – Zuzana Zacharová a Martin Paško. Projekt rekonštrukcie získal viaceré slovenské a medzinárodné architektonické ocenenia. 

O kľučových vlastnostiach aerogélov. ich využití a praktických skúsenostiach, ale aj o ďalšom smerovaní výskumu sme sa rozprávali s Michalom Ganobjakom:

ARCHINFO: Aké materiály zahŕňa termín aerogél?

Michal Ganobjak: Termín aerogél zahŕňa nanoštrukturované pórovité materiály s otvorenými pórmi v rozmeroch 2-50 nanometrov. Gél je podľa definície pevná štruktúra v tekutine. V závislosti od druhu tekutiny (ktorá môže byť kvapalinou alebo plynom) je to hydrogél, alkogél, alebo vzduchom/plynom plnený aerogél. Teda otvorená pevná štruktúra so vzduchom v póroch. Pre predstavu - javí sa ako ľahká suchá pevná látka. Termín teda opisuje skôr nanoštruktúru materiálu ako základnú látku. Aerogélovú štrúktúru je teoreticky možné vyrobiť z rôznych základných materiálov. 

Aerogély sa vyznačujú otvorenou a veľmi vysokou poréznosoťu – tj. nepevným objemom až  99,9 percent, v praxi okolo 97 %. Od prvej prípravy silika aerogélu Stevenom Kistlerom v roku 1931 to bol najľahší známy pevný materiál až do roku 2014, kedy ho nahradil aerogél uhlíka, vyrobený z uhlíkových grafénových nanorúrok, ktorý dokáže mať hustotu 1/10 vzduchu a ktorý je flexibilný.

Najznámejším a zároveň najštudovanejším je spomenutý aerogél oxidu kremičitého, tzv. silika aerogél (oxid kremičitý = silika) získaný vysušením gélu, tj. odstránením kvapalnej zložky, bez zmeny objemu pri takzvanom superkritickom sušení. Je to technológia sušenia na rozhraní fázových stavov plynu a kvapaliny. Po vákuu je silika aerogél známy ako najefektívnejší tepelný izolant. Ak nie je zdôraznené inak, bude spomínaný silika aerogél. 

ARCHINFO: Aké sú kľúčové vlastnosti aerogélov, ktoré ich predurčujú pre uplatnenie v stavebníctve? 

Michal Ganobjak: Výborné tepelnoizolačné vlastnosti ich predurčujú ako materiál pre tenké tepelné izolácie. Keďže pre novostavby existujú na stavebnom trhu efektívne tepelnoizolačné materiály, aerogély sú svojou hrúbkou vhodné pre použitie pri rekonštrukciách ako dodatočná tepelná izolácie. Najmä pri nedostatku miesta, napr. pri pamiatkových objektoch alebo pri redukcii tepelných mostov.

Vysoko porézna štruktúra predurčuje aerogély ako inhíbítory prenosu tepla. Z fyziky vieme, že teplo sa šíri v pevných látkach vedením, v kvapalinách a plynoch prúdením a okrem toho tiež infračerveným žiarením. Práve reťazcová pórovitá štruktúra aerogélov, s otvorenými pórmi, účinne bráni prenosu tepla vibráciami. Malé póry takisto nedovoľujú prejsť molekulám plynu cez aerogél bez toho, aby odovzdali energiu vnútornej štruktúre. Ak je aerogél priehľadný alebo priesvitný (ako pieskované sklo) prepúšťa aj infračervené žiarenie. Tomu je však možné zabrániť jeho znepriehľadnením napr. prímesou uhlíka. 

Práve spomínané tepelnoizolačné vlastnosti umožňujú aplikáciu materiálu v menších hrúbkach ako konvenčné tepelné izolácie. To môže byť užitočné pri riešení priestorov, kde rozmery sú kľúčové. Napr. v malých a stiesnených priestoroch[1], na izoláciu potrubí v obvodovej stene, izoláciu ník, za radiátorom, alebo pri odstránení a redukcii rôznych tepelných mostov. V lokalitách s vysokou cenou nehnuteľností, napr. centier miest – môže byť výhodné z ekonomických dôvodov použiť aerogély kvôli šetreniu priestoru[2]. Možné je použiť ich na historických objektoch, kde je potrebné zachovanie proporcií z architektonického hľadiska aj po pamiatkovej rekonštrukcii.

Silika aerogél môže byť hydrofilný tj. vodu absorbujúci. Pre stavebné účely je väčšinou pripravený v superhydrofóbnej úprave, tj. vodeodpudivej. Takýto materiál je úplne nezmáčavý. Padajúca a tečúca voda od neho odskakuje a ostáva úplne suchý. Pre otvorenú pórovitosť, však voda pod tlakom môže prejsť, preto nie je vhodný pre požitie pri základoch, kde sa počíta s tlakom spodnej vody.

Výhodnou vlastnosťou je otvorená pórovitosť. Aerogély sú priedušné tj. paropriepustné. Súčiniteľ prechodu vodných pár "µ" (mju) je okolo 4-5 (bez jednotky). Pre porovnanie keramické tehly alebo pórobetón majú takisto túto hodnotu okolo 5, vzduch je 1. Iné izolačné materiály: minerálna vlna 1, polyuretánová pena 60, expandovaný polystyrén 60, extrudovaný polystyrén 150.  

Táto kombinácia vodoodpudivosti a paropriepustnosti robí aerogél vhodným pre použitie pri rekonštrukcii historických stavieb, kde nevytvára bariéru pre prestup vlhkosti a je kompatibilný s pórovitými a vláknitými tradičnými materiálmi. Ak nie je pridaná iná bariéra pre šírenie vlhkosti, môže sa prípadná vnútorná vlhkosť v historickej konštrukcii voľne dostať von. Uväznená vlhkosť v tradičných materiáloch (v prípade použitia paronepriepustných materiálov) by pri nárazových zmenách teploty mohla znamenať vymzanie, štiepenie, praskanie, či biologickú eróziu materiálu, rast. plesní, rias či machov. Aerogél sa javí byť  kompatibilný s historickými konštrukciami.[3]

Granuly aerogélu sú takmer priehľadné alebo priesvitné. Priehľadnosť sa stráca s jemnejšou zrnitosťou. Je možné využiť ich tepelnoizolačnú vlastnosť a zároveň priesvitnosť, napr. ako plnivo medzi priehľadnými panelmi zo skla alebo plastu. Presvetľovacie panely je možné použiť na svetlíky alebo obvodové steny, kde nie je nutný výhľad a kde je potreba rozptýleného denného svetla, napr. galérie, múzea, telocvične...

So zvyšujúcimi štandardmi pre energetickú efektívnosť, pri použití známych tepelných izolácií – minerálnej vlny alebo polystyrénu, narástla potrebná hrúbka stavebných konštrukcií. To znemožňuje návrh a realizáciu tenkých, elegantných architektonických detailov. Aerogél dokáže pomôcť pri realizácii subtílnych  architektonických detailov bez kompromisu straty tepelne-efektívneho riešenia.

ARCHINFO: Aké sú reálne produkty na trhu a akým spôsobom ich možno využiť?

Michal Ganobjak: Na trhu sa nachádzajú viaceré kompozitné materiály v ktorých je aerogel ako prídavný materiál. Dostupným produktom  pre použitie je granulovaný aerogél – v mliečnej alebo priesvitnej verzii v rôznych frakciách, od väčších granúl až po prach. Vyrobiť väčší kus silika aerogélu je technologicky náročnejšie, preto sú menej dostupné a drahšie. Granulát je možné využiť ako plnivo do priesvitných aplikácií, alebo ako prídavný materiál v kompozitoch. Ďalším dostupným produktom je exteriérová omietka, kde ako plnivo je namiesto zrniva použitý silika aerogél. Práve omietka s aerogélom bola vyvinutá v Empe. Bola vyvinutá na exteriérové použitie, ale je využívaná aj na zateplenie interiérov.[4] Pevné panely s aerogélom môžu obsahovať aerogél vystužený vláknom, alebo spojený pojivom. Veľmi rozšírenou formou je aerogél vo forme deky alebo plste s hrúbkou 5-10 mm. Ide o aerogél vytvorený na vláknitom podklade zo sklených alebo polymérových vlákien. Tento vystužený aerogél v podobe deky je ohybný a je možné ho použiť v stavebníctve ako klasický kontaktný zatepľovací systém prichytený plastovými kotvami. 

Niektoré komerčne dostupné aerogélové materiály. (a) deka Spaceloft, (b) vláknitá doska Heck AERO, (c) omietka Fixit 222, (d) granulát Cabot a (e) panel OKAGEL s aerogélovým granulátom od OKALUX. [5]

Vybrané druhy produktov s aerogélom popisuje stránka aeroglélových aplikácií v stavebníctve aerogel.anwendungen.ch. Takisto sú vlastnosti popísané v anglickom jazyku vo voľne dostupnom, prehľadovom článku "Aerogel materials for heritage buildings: Materials, properties and case studies"[5] 

Pre stavebný trh bol donedávna v ponuke polyuretánový aerogél vo forme panelov. Rozdielom oproti polyuretánovým penám je, že polyuretánový aerogélu má póry rádovo tisíckrát menšie a otvorené. Rovnako ako aerogél samotný, aj tento materiál je priedušný. Výhodou takéhoto aerogélu je jeho pevnosť, mechanická odolnosť, opracovateľnosť (je možné ho rezať a upravovať na mieru priamo na stavbe, čo je nevýhoda vákuovo-izolačných panelov). Polyuretánový aerogél neuvoľňuje prach.

Rozdelenie typov materiálov so silika aerogélom.[6] Dostupné sú najmä kompozitné  materiály, ktoré je možné použiť ako prídavnú tepelnú izoláciu pre použitie v rekonštrukciách budov. Konštrukčné materiály so silika aerogélom sú zatiaľ v štádiu výskumu. 

ARCHINFO: Aká je v súčasnosti mechanická odolnosť a trvácnosť jednotlivých materiálov? Spĺňajú požiadavky pre náročné využitie v stavebníctve?

Michal Ganobjak: Samotný silika aerogél je veľmi ľahký a krehký. Vyžaduje si zlepšenie mechanických vlastností prímesami alebo môže byť súčasťou iného výrobku ako plnivo. Súčasné materiály s aerogélom majú mechanickú odolnosť v rozmedzí iných dostupných tepelných izolácií – podobné ako polystyrén alebo panely minerálnej vlny. Nie sú to totiž nosné materiály a sú používané ako dodatočná tepelná izolácia. Na dotyk je aerogélová deka mäkká asi ako plstená rohož. Do panelov z lisovaných granúl je možné urobiť odtlačok podobne ako do polystyrénu. Pri použití ako kontaktný systém, sú súčasťou vrstvenej konštrukcie. Omietka je ponúkaná ako celý systém. Vrchné vrstvy sú zosilňujúce so sklotextilnou mriežkou a hydrofóbnou úpravou s možnosťou voľby farebnosti. 

Z hľadiska trvácnosti je silika aerogél nereaktívny a vodeodolný materiál, ktorý nestráca vlastnosti časom a je odolný voči nepriaznivým vplyvom počasia. Má veľkú tepelnú odolnosť – od absolútnej nuly až po teplotu topenia aerogélu 1700 °C [7]. Pri teplote okolo 500 °C stráca silika aerogél svoju superhydrofóbnu vlastnosť a rozkladá sa aj vnútorná porózna štruktúra aerogélu. Aerogélová deka so skleným vláknom môže byť použitá ako protipožiarna ochrana.

Fixit 222. Omietka Fixit 222 so silika aerogélom 26-28mW/(m.K). Ponúkaný je celý omiektový systém. Postup nanášania popisuje výrobca. (1) podkladový substrát, (2) omietka s aerogélom, (3) podkladová stabilizácia (4) sklotextilná mriežka na lepidle (5) minerálny náter  (6) finálna povrchová stierka a farebný náter[8]

ARCHINFO: Vašou špecializáciou je obnova pamiatok. Aké majú uplatnenie aerogély na tomto poli?

Michal Ganobjak: Spomínaná kombinácia vlastností – tepelnoizolačné parametre, menšie hrúbky potrebnej izolácie, paropriepustnosť a zároveň nezmáčavosť sú zaujímavou kombináciou pre použitie v pamiatkových objektoch. Najmä tam, kde si to pamiatková obnova dovoľuje – v podlahách, krove, alebo aj pri omietkach, ak nie sú predmetom pamiatkovej ochrany.  Omietka je kapilárne aktívna a paropriepustná – nepredstavuje bariéru pre pohyb a uväznenie prípadnej vlhkosti v historickej konštrukcii – čo minimalizuje riziko napadnutia historických materiálov plesňami, hubami a riasami. Uväznená vlhkosť by inak spôsobovala eróziu historických materiálov. Silika aerogély sú paropriepustné a vodoodpudivé. Je však nutné dbať na aplikáciu materiálu, aby sme nepoužili bariéru pre vlhkosť napr. penetračný náter alebo nepriepustné lepidlo, ak chceme paropriepustnosť zachovať. 

Dostupné materiály na trhu sú vhodné ako prídavná tepelná izolácia pre svoju efektívnu hrúbku, čiže sú vhodné pre renovácie stavieb. Pamiatkové objekty tvoria špeciálnu kategóriu renovácie, kde je nutné prioritne brať ohľad na zachovanie kultúrnych hodnôt objektu. Pri zvyšovaní bezpečnostných, požiarnych a energetických štandardov historickej budovy, môžu aerogély pomôcť na miestach, kde je možné z ich použiť z hľadiska metodiky pamiatkovej ochrany.

Ako nevhodné sa z pamiatkového hľadiska javí dodatočné zateplenie špecifických povrchov - kameň, historické dlaždice, tehla, štuky, fresky, ornamenty a rôzne architektonické detaily. Povrchy, kde je použitie týchto nových materiálov bezproblémové sú omietky (ak nie sú predmetom ochrany), poloha pod dlažbou, vrstvené nízke podlahy, špalety, vrstvy stropu, priestor pod strešnou krytinou, doplnková izolácia podlahy na prízemí, výmena starej izolácie a hydroizolácie a konštrukčné detaily (niky, rámy okien, dverí, difúzny svetlík), a pod.[6]

Veľký potenciál otvárajú aerogély pri rekonštrukcii pamiatok industriálneho dedičstva – bývalých fabrikách, halách a priemyselných objektoch, kde stavba slúžila ako obal pre výrobný proces, nie prioritne pre dlhodobý pobyt osôb. Po konverzii si však tieto stavby vyžadujú prispôsobenie novej funkcii a aj štandardom. Vyznačujú sa veľkými objemami, plochami, účelovými materiálmi a účelnými konštrukciami. Translucentné, priesvitné vlastnosti aeroglélov môžu pomôcť pri svetlíkoch a presvetľovacích otvoroch. Takisto otvárajú potenciál pri minimalizovaní tepelných mostov rekonštrukciou subtílnych detailov funkcionalistickej architektúry 20.storočia, alebo dokonca špecifických prvkov postmoderny. Spomínaný prehľadový článok[5] sumarizuje typy materiálov a metodické pravidlá z hľadiska pamiatkovej obnovy. Zahŕňa tiež niektoré príklady použitia, zväčša zo Švajčiarska. V nemecky hovoriacich krajinách sa používa aerogél aj na historických objektoch. Vo Švajčiarsku možno je používaný zvlášť pre otvorenosť lokálnych pamiatkových úradov pre nové riešenia a silnejší trh s aerogélmi. 

ARCHINFO: Kokrétne príklady využitia z praxe?

Michal Ganobjak: Konkrétne príklady popisuje napr. stránka aerogel.anwendungen.ch kde je možné nájsť typy produktov, ich vlastnosti, cenu a aj jednoduchú grafickú kalkulačku, ktorá indikuje kedy sa oplatí použiť aerogél. Niektoré príklady použitia na budovách nájdete aj na stránke 1. ročníka súťaže Aerogel Architecture Award 2021, ako aj na odkazoch sponzorov súťaže dole na webovej stránke. V súčasnosti je otvorený 2. ročník medzinárodnej súťaže Aerogel Architecture Award 2022[9] o použití týchto materiálov v architektúre a stavebníctve. Súťaž je určená pre praktizujúcich architektov a stavebných inžinierov ako aj študentov týchto odborov. Jedným z cieľov súťaže je zozbierať zaujímavé príklady použitia aerogélov v praxi. Tešíme sa na výsledky druhého ročníka.

Vybrané príklady pri použití na pamiatkach a na nových objektoch:

Pre anglicky hovoriacich je sumarizačný prehľad na použitie v stavebníctve je v open-access článku, kde je možné nájsť materiály a prípadové štúdie na použití na pamiatkovo chránených objektoch.[5] 

Dfab house (2019) – bunka postavená s pomocou digitálnych technológií 3D tlače (additive manufacturing), robotiky, topologickej optimalizácie. Dva najvyššie podlažia DFab house majú fasádu z veľkoplošných ETFE vankúšov plnených silica aerogélom 6-12cm pre tepelnú izoláciu a difúzne denné svetlo. // Bunka je súčasťou demonštračnej budovy Nest, ktorý je projektom spolupráce švajčiarskych technických univerzít a priemyslu. Nachádza sa v campuse Empy v Duebendorfe (Švajčiarsko). Foto: Empa

ARCHINFO: Zaoberáte sa aj meraním a analýzou výsledkov využitia materiálu? Aké máte reálne skúsenosti?
Michal Ganobjak: Naše laboratórium č. 312 "Building energy materials and components" v Empe (Swiss Material Research Institute) sa zameriavama na vývoj a syntézu nových aerogélov s rôznymi základnými látkami, návrhom efektívnejšej industriálnej výroby aerogélov a vývojom uplatnenia v praxi. V našom laboratóriu sa však zaoberáme aj uplatnením existujúcich silika aerogélov v stavebníctve a návrhom nových stavebných a architektonických prvkov, ktoré by prispeli k znižovaniu energetickej náročnosti budov. 

V  tabuľkách izolačných materiálov môže byť pre silika aerogél uvedená veľmi nízka hodnota koeficientu tepelnej vodivosti 4mW/(m.K). Táto hodnota je však pod nízkym tlakom, bez vzduchu, teda vo vákuu. Podobné hodnoty má vákuový izolačný panel. V praxi sú však hodnoty koeficientu tepelnej vodivosti materiálov s aerogélom vyššie, okolo 15-20 mW/(m.K). Treba spomenúť, že sa zvýšila (zhoršila) aj efektivita aeroglélovej deky z 14 na 17 mW/(m.K) pravdepodobne aby sa cenovo priblížila požiadavkám trhu. To je zároveň aj dobrá správa, aeorgél sa stal dostupnejší a existuje tolerancia na jeho zlepšovanie. 

ARCHINFO: Ktoré aspekty sú dôležité pre aplikovanie aerogélových izolácií v praxi? Kde nastávajú pri realizácií problémy?

Michal Ganobjak: Pri aplikovaní vysokoúčinnej tepelnej izolácie, ktorá sa uchytáva spôsobom kontaktného zatepľovacieho systému, môže rozdiel v tepelnej vodivosti kotvenia do steny a samotnou izoláciou zvýrazniť kotvenie opakovanou kondenzáciou na mieste kotvy a tým pádom podporiť vznik plesní a rias. To sa deje často aj pri polystyréne, pretože povrchová úprava novodobej fasády ani polystyrén neumožňuje dobré vstrebávanie vlhkosti. Keďže aerogély sú priedušné (paropriepustné), pri zachovaní tejto vlastnosti  nemusí k tomuto zvýrazneniu kotvenia dôjsť. Dôležité je neobmedziť paropriepustnosť konštrukcie iným materiálom napr. penetračným náterom, fóliou, hydroizoláciou alebo nepriedušným lepidlom. 

Hydrofóbnosť materiálu môže navádzať k predstave, že ide zároveň o hydroizoláciu. Voda pod tlakom však môže cez aerogél prejsť. Použitie aerogélovej deky v základoch umožní prestup vlhkosti pod tlakom spodnej vody. Vtedy však nestráca izolačnú vlastnosť. Spaceloft Subsea deka sa používa na podmorské izolovanie ropných potrubí.

Práca s dekou alebo granulátom môže spôsobiť prašnosť. Pri aplikovaní deky, ktorá môže byť prašná je potrebné použiť ochranné prostriedky – respirátor, rukavice a ochranné okuliare. Vysoká pórovitosť a vnútorný povrch silika aerogélu dokáže dráždiť kožu a oči. Samotný materiál nie je chemicky závadný, avšak fyzická akumulácia akéhokoľvek prachu nie je pre organizmus dobrá. Po práci odporúčam ošetriť podráždenú kožu dezinfekčným alkoholom,  opláchnuť s použítím mydla a ošetriť ochranným krémom.  

ARCHINFO: V akom intervale sa pohybuje aktuálna cena aerogélových izolácií. Existuje predpoklad na výrazné zlacnenie materiálov v dohľadnej dobe?

Michal Ganobjak: Cena materiálov s aerogélom závisí aj od dopytu, vylepšenia masovej výroby a nových výrobcoch na trhu, ktorí ponúknu nové materiály a výrobky. Žiaľ zdražovanie stavebných materiálov posunulo hranicu dostupnosti opäť vyššie. Cena za 1m2 je zatiaľ príliš vysoká na bežné použitie pre zateplenie fasády. Avšak na riešenie detailov a odstránenie tepelných mostov je cena menšieho množstva materiálu akceptovateľná. Vhodné môžu byť na riešenia ostení, verají, okenných rámov alebo izoláciu vstupných dverí, alebo kdekoľvek kde zápasíte s hrúbkou a nedostatkom priestoru.

Cena závisí od typu materiálu, kde aerogel je aerogél hlavnou ingredienciou. Cena 1m2 tenkej aerogélovej deky Spaceloft od Aspen Aerogels s hrúbkou 1 cm sa pohybuje okolo 55 Eur/m2. Kovidová energetická kríza spôsobená prerušovaným zásobovaním, výpadkami a zdražovaním energií zvýšila cenu aerogelovej deky/flisu na 65 Eur/m2 (www.nanoshop.sk). Cena granúl aerogélu za 1 liter (majoritný výrobca), ktorý je možné využiť ako plnivo medzi panelmi je 2-3 eurá za liter. Horná hranica je súčasná trhová hodnota, dolná hranica je možná pri väčšom odbere. 

Cena omietky s aerogélom Hasiť Fixit 222 (tepelná vodivosť 26-28mW/m.K) za 50l bola 170,- Eur (2019), teraz je 198,- Eur bez DPH (2022) (na Slovenksu spoločnosť Kreisel), pri hrúbke 5 cm je to predstavuje cca 1m2 pri polovičnej hrúbke 2m2. Na Slovensku je možné kúpiť aerogélovú deku cez webový portál https://www.nanotechnologie.sk/ nanoshop.sk, alebo ebay.com. Ceny na Švajčiarskom trhu, ktoré sú vo všeobecnosti vyššie, sú dostupné na https://www.agitec.ch/shop/index.php

ARCHINFO: Kde sú z vášho pohľadu hlavné prekážky pre rozšírenie aerogélov v stavebnej praxi?

Michal Ganobjak: Hlavnou prekážkou rozšírenia v stavebne praxi je vysoká cena výrobkov s aerogélom, ktorá súvisí s pomerne náročnou technológiou výroby. Ďalšou prekážkou, ktorá tiež ovplyvňuje dopyt a cenu je malé povedomie architektov a stavebných inžinierov o materiáli, jeho vlastnostiach a možnostiach využitia v architektúre a stavebníctve. Vo väčšine európskych krajín takisto zatiaľ nezvykol dostatočný dopyt pre vytvorenie ponuky na trhu. Práve tento nedostatok informácií o aerogéloch sme sa snažili vyplniť v dizertačnej práci (vedúca práce doc. Ing. Eva Kráľová, PhD., FA STU BA) na tému Aplikácie aerogélov pri nevýrobnom využítí industriálneho dedičstva, kde sme sa zamerali na použite aerogélov pri obnove, konverzii a adaptácií priemyselných stavieb na nové použitie. Nástrahy použitia aerogélov v pamiatkovej obnove sumarizuje spomínaný prehľadový článok.[5] 

V čase renesancie prírodných materiálov môže niekoho odradiť laboratórny pôvod a nálepka nanomateriálu. Aerogél patrí medzi nanoštrukturované materiály. V rozmeroch nanometrov sú póry, tj. nepevný objem vyplnený vzduchom. Oxid kremičitý je tu viazaný v štruktúre. Neobsahuje preto častice v nano-rozmeroch. Aerogélový materiál, najmä deka (flís) alebo granulát, môže byť prašný. Amorfný oxid kremičitý je biologicky kompatibilný. Aerogél vo forme prachu (Cabot) sa používa v kozmetike už niekoľko desaťročí ako zahusťovadlo, prísada proti hrudkovateniu, "zmatňovač" či nosič aromatických molekúl v kozmetických výrobkoch[10].  Akémukoľvek prachu je však treba sa vyvarovať.

Pri práci s aerogélovou dekou môže vzniknúť prašnosť. Vysoká pórovitosť aerogélu pre absorbciu kožných tukov má dráždivý efekt pre kožu a oči. Je vhodné používať ochranné pomôcky – ochranný krém na exponovaných miestach, respirátor, ochranný plášť s dlhými rukávmi a ochranné okuliare. 

Pri pamiatkovej obnove existuje skepticizmus voči novým materiálom a ich kompatibilitou s historickými konštrukciami a netradičnými materiálmi. Betón, cement, polystyrén, rôzne nepriepustné hydroizolácie či nátery sa pri pamiatkovej obnove neosvedčili, pre rôznu rozťažnosť a vytváranie bariéry pre vlhkosť. Aerogél ponúka paropriepustné riešenie, treba ho však použiť tam, kde je to z hľadiska pamiatkovej obnovy odporúčané a možné  – najmä pri výmene úžitkových povrchov – podláh, omietok bez pamiatkových hodnôt, detailov, izolácie striech a vo vrstvených skrytých riešeniach.

Materiály s obsahom aerogélu v súčasnosti nie sú v Tepelnotechnickej norme STN a preto zatiaľ na Slovensku nie je vhodná referencia pre klientov a nie sú definované požiadavky pre trh. Klasifikáciou a efektívnosťou flexibilnej aerogélovej tepelnej izolácie sa zaoberá norma ISO 22482:2021[11], ktorá špecifikuje požiadavky na aerogélové deky pre použitie na tepelnú izoláciu budov.

Výroba silika aerogélu je technologicky náročná. Z environmentálneho hľadiska vzbudzujú otázky pomerne vysoké energetické nároky súčasnej výroby aerogélov. Vysoká tepelnoizolačná vlastnosť a trvácnosť týchto materiálov však dokáže prispieť k výraznému šetreniu energie v čase využívania budovy. Životnosť by mala byť niekoľko desaťročí.   

Pre architektov a stavebných inžinierov chýbajú reálne príklady použitia v architektúre a rekonštrukciách, ktoré sú lokálne a hmatateľné. Sumarizovať a prezentovať tieto informácie o použití aerogélov v stavebníctve a architektúre sa snaží aj medzinárodná súťaž pre architektov, stavebných inžinierov a študentov týchto odborov - Aerogel Architecture Award 2022. Tento rok pripravujeme 2. ročník tejto súťaže, kde budú môžu záujemci prezentovať svoje príklady použitia v projektoch novostavby, rekonštrukcie, obnovy alebo študentského návrhu. 

ARCHINFO: Registrujete využitie aerogélových izolácií aj na Slovensku?

Michal Ganobjak: Na Slovensku ponúka omietku s aerogélom spoločnosť Hasit / Kreisel. Omietka resp. omietkový systém Fixit 222 bola vyvinutá v Empe – Švajčiarskom federálnom materiálovom výskumnom inštitúte v roku 2012. Skladá sa z niekoľkých vrstiev. Pre svoju pórovitosť omietka vydáva na poklep dunivý zvuk, podobne ako polystyrénom zateplená fasáda. V ponuke je takisto plstená deka s aerogélom – Spaceloft z americkej Aspen Aerogels. Môže byť ponúkaná pod iným obchodným menom, ale zrejme to bude ten istý produkt. 

Niektorí stavebníci pracujúci v zahraničí prichádzajú do kontaktu s použitím aerogélových izolácií v stavebníctve. Nie je mi známe použitie na žiadnej konkrétnej budove na Slovensku. Spoločnosť Kresel uvádza, že rekonštrukcia s omietkou na báze aerogélu na Slovensku zatiaľ nebola realizovaná. Omietka bola použitá na vnútorné zateplenie miestnosti cca 70 m2 v historickej budove v Banskej Bystrici v roku 2017 (zdroj: spoločnosť Kreisel). Verím, že výrobcovia tepelných izolácií sa takisto snažia zaradiť izolácie na báze aerogélov do svojho portfólia.

ARCHINFO: Akým smerom sa uberá vývoj aerogélov?

Michal Ganobjak: Vývoj by sa dal rozdeliť do niekoľkýhch smerov. Základný výskum sa zameriava na vývoj nových aerogélov z rôznych základných materiálov a popis ich vlastností. Tieto teoreticky vykazujú úplne nové kombinácie vlastností. Napríklad aerogél uhlíka je elektricky vodivý a elastický. Polyimid aerogél je veľmi mechanicky odolný, elastický a má dobrú obrábateľnosť (rezanie, vŕtanie a strihanie). Výskum smeruje k bioaerogélom, vyrobených z prírodných a/alebo biodegradovateľných látok, napr. aerogély z celulózy, chytosanu, pektínu. Nanokompozity silika aerogélu umožňujú vylepšenie vlastností silika aerogélu – zvyšovaním mechanickej odolnosti, trvácnosti, priehľadnosti. Výskum sa zaoberá aj znižovaním ceny týchto materiálov – zefektívnením ich výroby, optimalizáciou veľkovýroby, aby cena materiálu bola čoraz dostupnejšia. 

Na poli materiálov pre stavebníctvo sa vyvíjajú nové aplikácie, ako prídavná tepelná izolácia pre rekonštrukcie alebo konštrukčné materiály pre novostavby. To je možné napríklad vylepšovaním tradičných materiálov a stavebných výrobkov prímesami aerogélu - od interiérových a exteriérových omietok, izolačných pások. Nové konštrukčné materiály môžu byť tiež kompozity - vrstvené panely, aerogélbetón alebo tvárnice plnené aerogélom. Mnohé sú zatiaľ v rovine výskumu. 

V Empe pracujeme na vývoji nových priesvitných nosných prvkov s aerogélom. Priesvitná sklená tehla so silika aerogélom. U-hodnota pre 136 mm 0.365 W/(m2·K)[12], ekvivalentná tepelná vodivosť lamda 53 mW/(m.K) // Aerobrick – kváder z pálnej keramiky s otvormi plnenými silika aerogélom. U-hodnota pre 365 mm 0.157 W/(m2·K), ekvivalentná tepelná vodivosť lamda 59 mW/(m.K)[13] / Topologicky-optimalizovaná tehla pálená – s aerogélom. U-hodnota pri hrúbke 102.5 mm je 2.707 W/(m2·K), čo predstavuje 34,7% hodnoty plnej pálenej tehly, tj. vylepšenie tepelnoizolačných vlastností o 65,3%[14] 

Poďakovanie:

Tento výskum podporila nadácia Velux Stiftung, projekt č. 1440 na vývoji tepelne-superizolačnej priesvitnej sklenenej tehly pre difúzne denné svetlo. Myšlienka bola vyvinutá s podporou programu Európskej únie pre výskum a inovácie Horizont 2020 v rámci akcií Marie Skłodowska-Curie, dohoda o grante č. 746992 

Bibliografia:

[1] J. Wernery, S. Brunner, B. Weber, C. Knuth, and M. M. Koebel, “Superinsulation materials for energy-efficient train envelopes,” Appl. Sci., vol. 11, no. 7, pp. 1–19, 2021.

[2] J. Wernery, F. Mancebo, W. J. Malfait, M. O’Connor, and B. P. Jelle, “The economics of thermal superinsulation in buildings,” Energy Build., vol. 253, p. 111506, 2021.

[3] G. M. Pajonk, “Transparent silica aerogels,” J. Non. Cryst. Solids, vol. 225, no. 1–3, pp. 307–314, 1998.

[4] T. Stahl, K. Ghazi Wakili, S. Hartmeier, E. Franov, W. Niederberger, and M. Zimmermann, “Temperature and moisture evolution beneath an aerogel based rendering applied to a historic building,” J. Build. Eng., vol. 12, no. May, pp. 140–146, 2017.

[5] M. Ganobjak, S. Brunner, and J. Wernery, “Aerogel materials for heritage buildings: Materials, properties and case studies,” J. Cult. Herit., vol. 42, pp. 81–98, 2020.

[6] M. Ganobjak, A. Prof, and E. Kralova, “Aerogel insulation in refurbishment.”

[7] Cabot, “Lumira Aerogel Particles : SAFETY DATA SHEET Regulation,” 2006.

[8] FIXIT AG, “Aerogel Insulating Plaster System - Application guidelines,” p. 6, 2019.

[9] Empa, “Aerogel Architecture Awards 2022,” 2021. [Online]. Available: https://www.empa.ch/web/aaa.

[10] CABOT corporation, “Skin & Beauty Care : Cabot,” 2020. [Online]. Available: https://www.cabotcorp.com/solutions/applications/pharmaceuticals-and-personal-care/skin-and-beauty-care.

[11] “ISO 22482:2021 - Thermal insulation products -- Aerogel blanket for buildings -- Specification : standard,” p. 14, 2021.

[12] M. Ganobjak, “Let’s build translucent walls! | DLA Annual Conference 2021,” presentation, 2021. [Online]. Available: https://youtu.be/wplo8hsfioQ.

[13] J. Wernery, A. Ben-Ishai, B. Binder, and S. Brunner, “Aerobrick - An aerogel-filled insulating brick,” in Energy Procedia, 2017, vol. 134, pp. 490–498.

[14] M. Ganobjak and J. V Carstensen, “Topology-optimized insulating facebrick with aerogel filling,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 1343, p. 12195, Nov. 2019.