Nanotechnika építészeti alkalmazásai

Az alábbiakban elsősorban az energiahatékonyságra, illetve a hőszigetelésre koncentrálunk. Épületeink a külvilág számára energiát bocsátanak ki (infra fotózással láthatjuk). A jelenlegi hőszigetelő anyagaink a levegő hőszigetelő képességét használják fel. De a levegő nem a legjobb hőszigetelő anyag! A hőszigetelő réteg vastagságát sem tudjuk korlátlanul növelni, hiszen egy épületre nem lehet 30, 40, 50 cm vastag hőszigetelést rakni. 

A hagyományos építőanyagok (szilikát anyagok) kristályokból épülnek fel. Ezek a kristályok rezegnek, és így adják át egymásnak az energiát, így vezetik a hőt. Ez a hővezetés veszteséggel jár, ezt a veszteséget fejezi ki a hővezetési tényező. Az építőanyagokban lévő üregekben levegő van, és az üregen belül légmozgás alakul ki – szállítja a hőt, ez a konvekciós hővezetés. A nagyobb üregekben hősugárzás is közvetít hőenergiát, az üregen belül az egyik falról a másikra sugárzik a hő. Egészében az építőanyag a melegebb oldal felöl a hidegebb felé vezeti a hőt. 

Hővezetési ellenállás

A hővezetési tényező mellett fontos az építőanyag hővezetési ellenállása; a hőáramlattal szembeni ellenállás. Ez függ attól, hogy a hő mekkora utat tesz meg, és ott milyen a hővezetési tényező. Az építész számára az a legfontosabb, hogy egy adott falszerkezet egységnyi felületen mennyi hőt bocsát át magán, ez a hőátbocsátási tényező; fordítottja a hővezetési ellenállásnak. (Jelenleg K= 0,3 körül van a szabványos érték, de ez fokozatosan csökken.) Az építőanyag gyártók azért küzdenek, hogy hogyan lehet ezt a hőátbocsátási tényezőt csökkenteni. Az építőanyagon belüli cellákat pl. kőzetgyapottal töltik ki, hogy az áramlásos (konvekciós) hőátadást akadályozzák. Olyan is van, hogy a falazó habarcsot PUR habos kötőanyaggal helyettesítik. Terjed a polisztirol használata nem csak szigetelésként, hanem magában az építőanyagban is; már egész falszerkezetek zömmel polisztirolból készülnek a jó hőszigetelés érdekében. Kérdés, hogy ezek az anyagok hogyan fognak viselkedni 50 év múlva!

Egy hagyományos épületet passzív házzá akarnánk átalakítani, akkor több mint 30 cm vastag polisztirol szigetelést kellene rátennünk. Ugyanez egy nanotechnológiás vákuum panellel 5 cm vastagságban is megoldható. Nézzük meg milyen nanotechnológiás hőszigetelő anyagok vannak már jelenleg is. Ilyen pl. a grafitadalékos expandált (EPS) lemez. Ennek az anyagnak a lényege, hogy a cellákon belül a cellafalak közötti infravörös hősugárzást csökkentik a polisztirol anyagba kevert grafitos adalékszerrel. Ennek kb. 20 %-kal jobb a hőszigetelő képessége, mint a hagyományos polisztirolé. Egy másik kiváló hőszigetelő anyag a Nano-porózus aerogél; egy nagyon ritka anyag, nagyon porózus, alig sűrűbb, mint a levegő. Nagyon laza szerkezetű szilícium molekulákból épül fel. Az anyagban levő üregek nagyon kicsik, annyira, hogy ezeken belül nem tud létrejönni a hőáramlásos hővezetés; a levegő molekulák nem képesek egymásnak átadni az „ütközési energiát”, mert mindig a szűk falakba ütköznek. Ebből a gélből üvegszövet paplanokba ágyazva nagyon hatékony hőszigetelést tudnak létrehozni. Hőhidak szigetelésére nagyon hatásos az alkalmazásuk. 

Aerogél

Nagyon jó hőszigetelő az Aerogél hőszigetelő üveg, amely átereszti a napfényt, de jobban hőszigetel, mint maga a falszerkezet.
Sok vitát keltettek már a hőszigetelő festékanyagok (előző lapszámunkban már írtunk róla). Nehezen hihető, hogy egy milliméternyi festék hőszigető képessége mondjuk 5 cm vastag polisztirolnak megfelelhet! Itt tulajdonképpen üvegkerámia golyócskákról (parányi léggömbökről van szó, amikben a gyártástechnológia folytán vákuum keletkezik. A hősugárzás ezekről a kerámia felületekről már eleve 60-70-80%-ban visszaverődik. Ezek a golyócskák csak kis felületen érintkeznek egymással, ezért a hővezetéssel hőterjedés csak fékezetten valósul meg. Ugyanígy a hőáramlással történő hőterjedés is, mert a gömböcskéken belül vákuum van, vagy legalábbis nagyon ritka levegő, tehát ott nem hatékony a hőszállítás. Igen kicsi a hősugárzás is, mert a gömböcskéknek a belső felülete is kerámia, ami hőtükörként viselkedik, visszaveri a hőt. Így ezekben az anyagokban mind a három hőterjedési mód minimálissá válik, ezért kitűnő a hőszigetelő képessége. 

Nagyon hatékony a vákuumpanelek hőszigetelő képessége is. Ezek nanoméretű kovasav porból présel táblák többrétegű alumíniumfólia borítással. Olyan a felépítésük, mint a fenyőfa tűlevelei; a tűlevelek csak nagyon kevés helyen érintkeznek egymással, így a köztük lévő hővezetés erősen lecsökken. A pórusok mérete gátolja a hőáramlást és a hősugárzást is. Ezek a panelek járható szilárdságúak, így padlófelületek hőszigetelésére nagyon alkalmasak. A nanoméretű anyagokban tehát nem tud érvényesülni a hagyományos méretű anyagokban létrejövő hőterjedés három módja közül egyik sem. Ezeknek az anyagoknak hővezetési tényezője nem arányos a testsűrűséggel, a hőszigetelő rendszer hővezetési ellenállását nem is lehet egyszerű számításokkal meghatározni. Azok a törvényszerűségek, amik a hagyományos anyagoknál tapasztalhatók, a nanoméretű anyagoknál nem működnek. A tényleges hőszigetelő képességüket a gyakorlati mérések igazolják, és a jövőben minden bizonnyal sorra jelennek meg a nanotechnológiás hőszigetelő anyagok és technológiák.

Az építészetben három fő területen jöhet szóba a nanotechnológia alkalmazása:

1. Energiatakarékosság terén:
a) Hatékony hőszigetelő anyagok előállítására.
b) Vákuumpanelek és vákuum üvegszerkezetek létrehozására.

2. Környezetvédelem terén:
a) Öntisztuló betonfelületek és homlokzatok létrehozására.
b) Légszennyezettség csökkentésére.
c) UV védelem nanobevonatos üvegfóliával.
d) Felületvédelem antigrafiti bevonattal.

3. Építmények tartóssága és időtállósága terén:
a) Nagy tömörségű és szilárdságú betonok létrehozására.
b) Vízzáró és korrózióálló betonszerkezetek készítésére.