Wat hebben glazen bierflesjes, roestvrijstalen flessen en ijsberenhaar met elkaar gemeen?
Ja, het zijn allemaal goede isolatoren, maar de reden waarom zal u misschien verbazen!
Wat is isolatie?
Om te weten te komen wat een goede isolator is, moeten we eerst eens kijken wat isolatie nu precies is. Er zijn vele soorten isolatie – thermisch, geluid, elektrisch, enz. Voor ons doel gaan we het hebben over thermische isolatie, die de warmteoverdracht tussen voorwerpen vermindert door warmtestraling te reflecteren of warmtegeleiding en -convectie van het ene naar het andere voorwerp te verminderen (zo dadelijk meer hierover). In de basis is thermische isolatie wat uw koffie warm houdt in een geïsoleerde mok en uw handen warm in handschoenen.
Types van warmteoverdracht
Een veelvoorkomend misverstand is dat isolatie kou buiten houdt, terwijl de functie van isolatie in feite is om de overdracht van warmte te verminderen, wat betekent dat het warmte binnen houdt. Warmte-energie wordt overgebracht naar voorwerpen in de buurt met een lagere temperatuur, wat je kunt voelen als je hete koffie in je koffiemok schenkt, tenzij de overdracht wordt vertraagd of gestopt door een thermische isolator.
Om te begrijpen wat een goede thermische isolator is, moet je de drie methoden van warmteoverdracht begrijpen: Geleiding, convectie en straling.
Conductie: Het proces waarbij warmte wordt overgedragen van een gebied met een grotere kinetische energie (hogere temperatuur) naar een gebied met een lagere kinetische energie (lagere temperatuur), bijv. het aanraken van een hete handgreep. Dit gebeurt door fysiek contact en is de meest voorkomende vorm van warmteoverdracht.
Convectie: Het proces waarbij een gas of vloeistof wordt verwarmd en zich vervolgens van de bron verwijdert, b.v. het voelen van de hete lucht boven een kokende pan.
Radiation: Het proces van warmteoverdracht door elektromagnetische golven, bijvoorbeeld warmte van de zon.
Thermische isolatoren
De taak van een thermische isolator is om de warmteoverdracht te verminderen – ofwel het beoogde object warm of koud te houden. Een goed voorbeeld van een thermische isolator is een roestvrijstalen waterfles, die koude dranken koel en warme dranken warm houdt – allemaal in hetzelfde apparaat! Maar hier is het verbijsterende deel – roestvrij staal is geen goede thermische isolator – in feite is het een betere geleider.
Superior Glove sprak met Paul Faucher, een hoofdingenieur bij NOVO Engineering, om dit mysterie tot op de bodem uit te zoeken.
“De roestvrijstalen waterfles is zo’n interessant voorbeeld omdat veel mensen zich niet realiseren dat het niet het roestvrij staal is dat voor de isolatie zorgt – het is een vacuüm,” legt Faucher uit. “De roestvrijstalen fles bestaat eigenlijk uit twee flessen – één bovenop de andere met een kleine ruimte ertussen. Deze ruimte is leeg van lucht en creëert eigenlijk een vacuüm – het is dit vacuüm dat zorgt voor de isolatie.”
Faucher legde verder uit dat een vacuüm een van de bekendste isolatoren is, maar dat lucht zelf ook een uitstekende isolator is en een belangrijke bijdrage levert aan de isolerende eigenschappen van voorwerpen als ovenwanten en glasvezelisolatie. Het zijn de luchtzakken in deze materialen die de warmteoverdracht veel meer vertragen dan de materialen zelf.
“NASA gebruikt luchtzakken zelfs om te voorkomen dat spaceshuttles verbranden bij de terugkeer op aarde.”
Thermische isolatoren voor weefsels
Als het gaat om thermische isolatoren voor weefsels, is de strijd voor fabrikanten altijd die tussen grootte en doeltreffendheid geweest. Hoe dikker de handschoen of het kledingstuk, hoe beter de isolerende eigenschappen, maar hoe oncomfortabeler het is voor de persoon die het draagt.
“Isolatie voor je kleding werkt ongeveer hetzelfde als voor je huis – een isolerende stof wordt in elkaar geweven met veel ruimte voor lucht. Het gebruik van holle stoffen en het losjes in elkaar weven ervan is de beste manier om kleding te isoleren, maar net als bij isolatie voor thuis, ontstaat er een omvangrijk materiaal dat niet altijd praktisch is voor de drager,” legt Adam Bahret, eigenaar en hoofdingenieur van Apex Ridge, een adviesbureau voor productbetrouwbaarheid, uit.
“Zaken als glas en keramiek zijn fantastische isolatoren wanneer ze worden afgebroken tot vezels en in een stof worden geweven,” legt Bahret uit. “Een van de grootste uitdagingen voor isolerende weefsels die zijn ontworpen om warmte-energie binnen te houden, is hoe je die isolerende eigenschappen kunt produceren zonder enorme massa. Stoffen als Thinsulate® hebben deze uitdaging met succes overwonnen door geweldige isolatie te bieden in een dunne stof.”
Een van de meest creatieve, maar effectieve vormen van isolatie die Bahret ooit is tegengekomen, betrof een ingenieuze manier om huizen in derdewereldlanden te isoleren. Het idee is ongelooflijk eenvoudig, maar werkt bijzonder goed. Glazen bierflesjes worden gebruikt om een muur te bouwen en met mortel bij elkaar gehouden. Door de holle en ronde vorm van de flessen zijn ze uitstekende warmte-isolatoren, terwijl de transparantie van de flessen veel natuurlijk licht binnenlaat. Het is een functionele, kosteneffectieve manier om een geïsoleerd huis te bouwen.
De toekomst van isolatie
Hoe zal isolatie er in de toekomst uitzien? Zullen er nieuwe materialen worden ontdekt die de manier waarop isolerende kleding wordt gemaakt en gedragen drastisch zullen veranderen? Paul Faucher denkt van wel.
Faucher gelooft zelfs dat de toekomst van isolatie er al is – het is alleen te duur.
“In de toekomst denk ik dat je nieuwe isolatoren met microbuisjes en microbolletjes zult zien, gebaseerd op de technologie die wordt gebruikt om koolstofnanobuisjes (microbuisjes) te fabriceren. Deze zullen worden gebruikt om de gewenste isolerende eigenschappen te verkrijgen in dunne, draagbare stoffen, films en zelfs gegoten onderdelen,” voorspelt Faucher.
“Microtubes zijn microscopisch klein en uitstekende isolatoren dankzij hun holte, die lucht vasthoudt. Ze werken net als donsveren, die ook hol zijn, om warmte-energie te isoleren. Zoals iedereen met een donsjack weet, zijn de isolerende eigenschappen uitstekend. De microbuisjes gaan nog een stap verder, omdat ze microscopisch klein zijn, waardoor ze minder omvangrijk zijn en de warmte beter vasthouden.”
De prijs van de microbuisjes-technologie maakt het nog onpraktisch voor consumentendoeleinden. Naarmate de prijs daalt, zullen we volgens hem steeds meer van deze technologie toegepast zien in isolerende weefsels.
Heeft Superior Glove een handschoen met microbuisjes in de planning?
De puzzel van de glazen fles, de roestvrijstalen fles en het haar van een ijsbeer
We zijn eindelijk terug bij onze oorspronkelijke puzzel – wat hebben al deze voorwerpen gemeen dat ze zo’n goede isolator maken? Als je het artikel hebt gelezen en niet meteen naar beneden bent gegaan, dan weet je al dat het de holte van beide flessen is die voor hun superieure isolerende eigenschappen zorgt. Lucht, een slechte geleider en een goede isolator, wordt gevangen in de holte van de glazen fles, terwijl roestvrijstalen flessen nog een stap verder gaan door een vacuüm te creëren om warmte-energie te vertragen.
Maar hoe zit het met het ijsberenhaar?
Gelijk aan donsveren, is ijsberenhaar eigenlijk hol. Dit holle gedeelte houdt lucht vast en isoleert de ijsbeer tegen de extreme kou van de poolstreken. Daarom zien ze er altijd zo gelukkig uit in de vrieskou!
Op zoek naar handschoenen om je handen lekker geïsoleerd te houden deze winter? Bekijk dan onze lijn winterhandschoenen!
_____________________________________________________________________________________
Dank aan Paul Faucher van NOVO Engineering en Adam Bahret van Apex Ridge voor hun bijdragen aan dit artikel.
Paul Faucher is hoofdingenieur bij NOVO Engineering, een adviesbureau dat uitgebreide hardware- en software-ontwikkelingsdiensten levert, van concept tot pilotproductie. Faucher heeft een veelzijdige achtergrond in werktuigbouwkunde en natuurkunde. Hij behaalde zijn BSME aan de San Diego State University en heeft meer dan 25 jaar ervaring als ingenieur.
novoengineering.com
Adam Bahret is de oprichter, eigenaar en hoofdingenieur van Apex Ridge, een ingenieursbureau gespecialiseerd in reliability engineering voor productontwikkeling met klanten als Google, Boeing, Amazon Robotics, en Hyundai. Bahret is een expert op het gebied van betrouwbaarheid van mechanische en elektrische systemen met meer dan 20 jaar ervaring in productontwikkeling. Hij behaalde zijn MS in Mechanical Engineering aan de Northeastern University en is een ASQ nationaal gecertificeerd reliability engineer en lid van IEEE.
www.apexridge.com
Lees meer van Tony Geng