Yazan: Jan Cremers ve Felix Lausch

Işığı geçiren malzemeler, özellikle de çatı yüklerine karşı koyabilen saydam ve yarı saydam membran malzemeler, mimarların ilgisini çeker. Dokuma malzemeler, daha çok, atmosfer koşullarına karşı dayanıklı olup birçok şekil alabildikleri ve geniş açıklıkları geçebildikleri için yapılarda kullanılırlar. Uygun güneş teknolojilerinin gelişimi ve artan araştırma çalışmalarının sonucunda, gergili strüktürlerden beklenen performans sadece atmosfer koşullarına karşı dayanıklı olmaktan öteye gidecektir. Bu çalışmalar ısı yalıtımı, akustik, gün ışığı ve güneş ışığından ısı kazanımını geliştirmek gibi pasif önlemlerle ilgilidir. Yüksek performanslı membranlar, örneğin PTFE kaplı cam lifli örtü gibi yarı saydam membran malzemeler veya ETFE gibi saydam folyolar, bina dış kabuğu için yüksek performanslı malzeme arayışında kilometre taşlarını oluştururlar.

Membran Strüktürlerde Silika Bazlı Aerojel

Cam kullanılan strüktürlerin ağırlığıyla kıyaslandığında, bunlara nispeten yaklaşık kırkta bir oranında daha hafif olan, şişirilmiş ve mekanik olarak çekme gerilmelerini almış membran strüktürler tartışmasız daha hafiftirler. Taşıyıcı sistem için gerekli olan malzeme miktarı en aza indirgenmiştir. Ancak, sentetik malzemelerin optimize edilmiş kalınlıkları -bazıları 0.2 mm?den daha az kalınlıktadır- ve düşük ısı iletkenlik katsayıları nedenlerinden dolayı membran strüktürlerde istenilen ısı yalıtım özellikleri sağlanamamaktadır. Bu eksikliğin giderilmesi ya çok katlı katmanlaşma ile hava tabakasının veya daha yüksek değerler belirlenmişse, mineral yün gibi opak ısı yalıtım malzemelerinin veya yarı-saydam veya saydam ısı yalıtım malzemelerinin kullanımını gerekli kılmaktadır. Opak ısı yalıtım malzemeler, folyo strüktürler için tercih edilmemektedirler; silika bazlı aerojel en çok umut verici yarı saydam seçeneklerden biridir.

Özellikler ve Kullanım Prensipleri

Silika bazlı aerojellerin tanecik boyutu 0.5-0.4 milimetredir; çapları 10-100 nm arasında değişir.  Bir aerojel tabakasının ışık geçirgenliği yaklaşık yüzde 80'dir. Tabakanın kalınlığına bağlı olarak ısı yalıtım özelliği, polistren köpüğünkine oranla iki kat daha iyidir. Ek olarak bu malzeme yanıcı değildir. Sürdürebilir bir malzemedir, 600 °C'ye kadar dayanıklı ve hidrofobiktir. Ayrıca, yapılarda kullanımı için uygun olan bir özelliği de, söz konusu özelliklerini uzun dönem koruyabilmesidir. Orijinal üretim süreci, "süper kritik bir kuruma aşaması" dahil ettiği için özenle ve titizlikle planlanmıştır. Son on yılda süreç basitleştirilmiştir. Silika bazlı aerojel taneli ve monolitik blok olarak bulunabilmektedir. Aerojelin ışık dağıtıcı özelliği, iç ortamda konfor koşullarına uygun, kamaşmayı engelleyen aydınlatma şartlarını sağlar.

Pnömatik Strüktürlerde Aerojel Dolgu

Doğal aydınlatmanın önem kazandığı pnömatik strüktürler için yarı saydam aerojel uygun bir seçimdir.  3 cm kalınlık için U değeri 0.57 W/m2K ve ışık geçirgenlik faktörü yüzde 45'tir.  Aerojel katmanı ETFE yastığının üstüne veya altına yerleştirilebilir. Burada aerojel katmanı için ek bir ETFE katmanına daha ihtiyaç bulunmaktadır. İki ETFE katmanı arasında yer alan aerojel eşit olarak yayılır ve sabit bir kalınlık elde edilir. Bu kalınlık yastık içindeki basınç ile sabit tutulur. Eğer yastığın içinde üçüncü (orta) bir tabaka varsa aerojel bu tabakaya da yerleştirilebilinir.  ETFE nispeten buhar geçirimlidir ve bu nedenle az miktarlarda su buharının aerojele nüfuz etmesine izin verir. Ancak, aerojelin hidrofobik özelliği sayesinde tanecikler su buharını emmez. 

 Aerojelli Lif

Gergili strüktürlerde sabitleyici bir basınç olmadığı için bu strüktürlerde diğer bir tip aerojel kullanılmaktadır. İki bileşenli liflerin aerojel tanecikleri ile püskürtülmesinden elde edilen aerojelli lif ile ısı yalıtım özelliği yüksek, esnek ve basınca dayanıklı bir örtü elde edilir. Bu örtü PTFE kaplı cam lifli örtü veya ETFE gibi saydam folyolar ile birlikte kullanılabilinir. Yarı saydam örtü ideal olarak en alttaki membranın üstüne serilir. Uniform bir görüntü elde edilen tanecikli aerojellerin aksine, örtünün ek yerleri görünüşünü bozabilir. Özellikle ETFE folyolu strüktürlerde bu tip bir görüntü istenmeyebilir.  Bu tür uygulamalarda şaşırtmalı birleşim önerilir, böylece ısı köprüleri önlenir.  

Aerojel Yastıklar - Örnek Vaka

 2007 yılında U.S. Department of Energy, enerjinin optimize edildiği yapıların konu olarak ele alındığı bir yarışmaya sponsor oldu. Tasarımlar, üniversitelerdeki farklı disiplinleri temsil eden kişilerin oluşturduğu ekipler tarafından geliştirilmeliydi. Amaç enerji etkin, güneş enerjisi ile çalışan ve mimari olarak cazip bir konut tasarlamaktı. Değerlendirme ölçütleri arasında mimari, yapısal, teknolojik, aydınlatma ve enerji dengesi gibi ölçütler yer almaktaydı. Yeni malzemelerin kullanımı ve mevcut malzemelerin akıllı kullanımı ölçütlerine de dikkat çekilmişti. Solar Decathlon 2007 isimli  bu yarışmaya Georgia Institut of Technology (GIT), yüksek yalıtım özelliklerine ve yarı saydam bir çatı sistemi ile başvurdu. SolarNext / Hightex tarafından geliştirilen çatı bileşenleri belirli bir aşamaya kadar fabrikada üretildi; çünkü amaç, diğer üretim aşamalarının öğrenciler tarafından yapılmasıydı. Strüktür işlev ile ayrılan iki bölüme ayrılmıştır. Alltaki bölüm tavan olarak da hizmet veren yalıtımlı panellerden meydana gelirken üstteki bölümse sadece atmosferik etmenlere karşı koruyuculuk işlevini yerine getirir. Alt bölümde 4x1.5 metre boyutlarında dokuz adet panel bulunur. Bu paneller, arasına aerojel doldurulmuş iki adet ETFE folyodan meydana gelir. Sonuç olarak, ışık geçirgenlik faktörü U değeri sırasıyla yüzde 20 ve 0.3 W/m2K olan tavandır. Üst bölümde 1.5 metre açıklık geçebilen ETFE folyo yer alır.  Aerojel yalıtımlı duvar ve çatı sistemlerinde gölgeleme elemanı kullanılması önerilir; aksi taktirde sürekli artan bir enerji kazancı olacaktır. GIT çatı sisteminde bu öneri, çatıya fotovoltaik elemanların yerleştirilmesiyle karşılandı. Ek olarak, ayarlanabilir güneş kontrol elemanları da kullanıldı. Sonuçta gün ışığından yararlanabilen, hafif ve yüksek yalıtım değerine sahip bir çatı elde edilmişti.