High-Performance Nano Insulation Materials

Prosjektet "Høyytelse nanoisolasjonsmaterialer" (Hi-Per NIM) har som mål å utvikle grunnleggende kunnskap som muliggjør framstilling av nanoisolasjonsmaterialer (NIM) med forbedrede mekaniske egenskaper og lavere varmeledningsevne enn dagens aerogelmaterialer (typisk 18 mW/(mK)). Dette vil bidra til lavere energiforbruk og drivhusgassutslipp fra bygninger og industrielle prosesser. Prosjektgruppen i Hi-Per NIM har diskutert og utviklet planer for eksperimentelt arbeid, teoretiske modelleringer og analyser av materialets miljømessige bærekraft. Videre har vår tilnærming blitt fulgt av en professor og masterstudenter innen utdanningsvitenskap (ved diskusjoner og deltagelse på møter). Både laboratorieeksperimenter og teoretiske modelleringer pågår. Hule silika nanokuler har blitt framstilt ved ulike metoder, hvor en del av utfordringen ligger i få laget små nok porer med tilstrekkelig lav faststoffandel og tilfredsstillende mekanisk styrke. I tillegg har en sett på hydrofobisering av overflatene til de hule nanokulene, samt mulige sammenkoblinger av de hule nanokulene. Hule silika nanofibre har også blitt framstilt ved ulike metoder, med utfordringer blant annet knyttet til valg av template materialer, inhomogene fiberskall og store partikkeldannelser på overflaten. Innledende forsøk med integrasjon av hule nanokuler og hule nanofibre har blitt utført. Undersøkelser med framstilling av nanokuler med forskjellige diametre og veggtykkelser pågår hvor vi ser at varmeledningsevnen er direkte korrelerert til disse parametrene. Så langt er den laveste varmeledningsevnen vi har målt på rundt 14 mW/(mK) for silika nanokuler med indre diametre på 85 nm og veggtykkelser på 34 nm. Varmeledningsevnen for en indre porediameter på 34 nm kalkulert etter den forenklede teoretiske gass og fast-stoff-gass vekselvirkningen i følge Knudsen likningen er rundt 7 mW/(mK). Med hensyn til at denne Knudsen likningen blant annet ikke tar hensyn til varmetransport igjennom faste stoffer og ei heller varmetransport ved strålingsoverføring, samt en del andre forhold som for eksempel at det mellom nanokulene kan være en del større hulrom, så er det naturlig at denne kalkulerte varmeledningsevnen vil bli en del lavere enn den målte verdien for det aktuelle nanoisolasjonsmaterialet. Dette er også lovende med tanke på ytterligere muligheter for forbedringer og lavere varmeledningsevner. De siste par årene har vi også studert, teoretisk og eksperimentelt, bruk av nanomaterialer i sammenheng med vindu og andre glasstrukturer som en del av den termiske bygningskroppen, da med hensyn til både varme- og solstråling. En populærvitenskapelig artikkel som beskriver Hi-Per NIM prosjektet er skrevet og publisert i et norsk bransjetidsskrift, i tillegg til en annen populærvitenskapelig artikkel. Prosjektet og dets resultater har blitt presentert på flere vitenskapelige konferanser med 20 foredrag og 1 poster, samt 9 konferanseartikler. En PhD avhandling, tre pedagogiske MSc avhandlinger, to naturvitenskapelige MSc avhandlinger og en naturvitenskapelig studentprosjektoppgave har blitt fullført. Så langt har 12 vitenskapelige journalartikler, 9 konferanseartikler og 2 bokkapitler blitt publisert. I tillegg arbeides det med noen ennå ikke-publiserte journalartikler. Flere av artiklene er allerede høyt siterte etter relativt kort tid og forventes å bli enda mer sitert i årene framover.

Prosjektet har hatt fokus på anvendt grunnforskning for eksperimentell laboratorieutvikling av nanoisolasjonsmaterialer med lav varmeledningsevne. Den laveste varmeledningsevnen for de framstilte nanoisolasjonsmaterialene vi har målt på er rundt 14 mW/(mK) for hule silika nanokuler med indre diametre på 85 nm og veggtykkelser på 34 nm. Dette er en veldig lav verdi og kan sammenlignes med de laveste verdiene som er målt for aerogelmaterialer. Både våre teoretiske og eksperimentelle resultat tyder klart på at det vil være mulig å komme ned i enda lavere varmeledningsevner, hvor den største utfordringen vår i øyeblikket er å klare å framstille nanokulene med enda mindre indre diametre enn 85 nm. Vårt arbeid på nanoisolasjonsmaterialer har vakt internasjonal interesse i det vitenskapelige fagmiljøet, både for de teoretiske konseptene og de eksperimentelle undersøkelsene. Dette har ført til at vi har blitt kontaktet av ulike miljø for blant annet forskjellige former for samarbeid, eksempelvis invitasjoner til deltagelse på konferanser som invitert foredragsholder (keynote speaker), deltagelse i EU søknader og sampublikasjoner med internasjonale fagmiljø. Dette muliggjorde også at vi fikk anledning til å sende en PhD student som arbeidet på samme fagområde (Sohrab Alex Mofid, lønnet direkte av NTNU og ikke gjennom Hi-Per NIM prosjektet) til USA for et forskningssamarbeid der (bl.a. med University of Colorado, Boulder, Colorado, USA), noe som også resulterte i flere interessante forskningsresultat og tilhørende vitenskapelige artikler. Mange av artiklene våre på dette fagområdet er allerede høyt siterte, og danner et godt grunnlag for videre forskning blant ulike forskningsmiljø rundt om i verden i tillegg til vårt eget miljø. Dette vil sannsynligvis og forhåpentligvis føre til utvikling av robuste varmeisolasjonsmaterialer med veldig lav varmeledningsevne, som dermed muliggjør energi-effektive bygninger med redusert varmetap med relativt tynne bygningskropper med dertilhørende lavt materialforbruk, og som da vil representere et svært viktig bidrag for samfunnet for å minske de negativene konsekvensene av den pågående energikrisen og klimakrisen både på et nasjonalt og globalt plan. I tillegg til internasjonale og globale ringvirkninger, så har prosjektet også hatt betydning på et mer lokalt plan hvor vi har fått samarbeidet på tvers av ulike institusjoner, både innen de naturvitenskapelige fagområdene og også innen pedagogikk. Dette har ført til økt kunnskap og kompetanse hos de vitenskapelig ansatte og deltagende studentene, inkludert fem fullførte mastergrader og en fullført doktorgrad. En del av resultatene har blitt framskaffet av studenter, og noe av dette inngår da også som en del av undervisningen ved NTNU, altså såkalt forskningsbasert undervisning hvor studenter deltar aktivt med forskningsarbeid som så blir en del av studentenes pensum i den videre undervisningen.

The aim of the Hi-Per NIM project is to develop fundamental knowledge to allow synthesis of nano insulation materials (NIM) with improved mechanical properties and lower thermal conductivity than current aerogel materials (typically 18 mW/(mK)). This will contribute to less energy consumption and greenhouse gas emissions in buildings and industrial processes. The NIM concept is based on theoretical considerations of thermal conductivity and requires controlled material synthesis to obtain specific morphologies. Theoretical modelling of thermal and mechanical properties will be used to guide the synthesis work, and thus constitute an integral part of the project. Our current aim is to prepare a flexible and mechanically stable material with a thermal conductivity below 14 mW/(m K), based on hollow nanospheres and -fibres. These NIMs are to be cost-effective and robust with respect to production, handling, use, and end-of-life processing. Health, safety, and environmental (HSE) impact are important features and HSE evaluations will be actively used to develop sustainable production processes. The project constitutes a new level of interaction between environmental engineers, theoretical physicists and materials scientists, and one sub goal of the project is to utilize this multidisciplinary collaboration to develop a holistic and sustainable approach to material design. The project will educate one MPhil and two PhD candidates. The master student will document interactions within the project. One PhD will focus on theoretical modelling and the other on HSE and environmental aspects. Both will be heavily involved in material synthesis. Intellectual property will be secured as appropriate, prior to scientific publication. Finally, the project will seek collaboration with industry partners or start a spin-off company to upscale and produce the high-performance NIM for use primarily within buildings and oil and gas processing.