Herstellungsschritt 3: Überkritische Trocknung
Um aus dem Alkogel ein Aerogel zu machen, muss die Flüssigkeit daraus entfernt werden, das heißt, das Gel muss getrocknet werden. Dieser Trocknungsprozess ist der letzte Herstellungsschritt. Es muss jedoch ein besonderer Trocknungsprozess sein, denn in den Experimenten in Mission 2b habt ihr ja gesehen, dass das Gel bei normaler Trocknung schrumpft und die Struktur in sich zusammenfällt.
Das Ziel der Aerogelherstellung ist es allerdings, die Struktur, die sich beim Gelieren gebildet hat, zu erhalten, also dafür zu sorgen, dass das Wasser in den Poren durch Luft ersetzt wird, ohne dass dabei dieses feine Gerüst kaputtgeht.
Warum kann man das Wasser nicht einfach durch Verdampfen aus den Poren entfernen?
Die Antwort liegt in der Porenstruktur des Hydrogels. Verdampft das Wasser (oder eine andere Flüssigkeit) in den Poren, wirken sogenannte Kapillarkräfte, die das Innere der Pore zusammenziehen und so das Gerüst zerstören. Das Gel würde schrumpfen. Um die Schrumpfung durch die Kapillarkräfte zu vermeiden, darf das Gel also nicht merken, dass die Flüssigkeit durch Gas ersetzt wird. Hier kommt die überkritische Trocknung ins Spiel: Dabei nutzt man aus, dass man durch Erhöhung des Drucks und der Temperatur den sogenannten überkritischen Zustand eines Stoffes erreichen kann, bei dem es keine Unterscheidung zwischen Gas- und Flüssigphase gibt. Der überkritische Zustand eines Stoffes tritt auf, sobald der kritische Punkt überschritten wird (31° C und 74 bar für CO2).
So einen hohen Druck kann man nur in einem gasdichten Behälter erzeugen, der hohen Drücken standhält. Dieser nennt sich Autoklav. Das Prinzip ist wie bei einem Schnellkochtopf, nur dass in einem Autoklaven noch höhere Drücke (über 100 bar!) erreicht werden können.
Interaktives Video:
Bei der überkritische Trocknung wird durch das Spülen mit überkritischem Kohlenstoffdioxid aus einem Alkogel ein Aerogel, dessen Poren an Stelle von Lösungsmitteln zunächst Kohlendioxid enthalten, das nach Entnahme aus dem Autoklaven nach und nach durch Luft ersetzt wird. Da beim überkritischen Trocknen die Poren und die Form des Gels erhalten bleiben, schrumpft das Gel nicht, das Volumen bleibt also gleich. Gleichzeitig verringert sich jedoch das Gewicht, da Luft viel leichter ist als die Flüssigkeit, die vorher in den Poren war. Daher sind trockene Aerogele extrem leicht und weisen eine sehr geringe Dichte auf.