En décadas recientes, La búsqueda de un aislamiento térmico de alto rendimiento para edificios ha llevado a los fabricantes a recurrir a los aerogeles. Inventado en la década de 1930, estos materiales notables son translúcidos, ultraporoso más ligero que un malvavisco, lo suficientemente fuerte para sostener un ladrillo, y una barrera incomparable para el flujo de calor, haciéndolos ideales para mantener el calor adentro en un día frío de invierno y afuera cuando las temperaturas de verano se disparan.

Hace cinco años, investigadores dirigidos por Evelyn Wang, profesor y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica, y Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética, se propuso agregar una propiedad más a esa lista. Su objetivo era hacer un aerogel de sílice que fuera verdaderamente transparente.

"Comenzamos tratando de lograr una transparencia óptica, aerogel termoaislante para sistemas solares térmicos, "dice Wang. Incorporado en un colector solar térmico, una losa de aerogel permitiría que la luz del sol entrara sin obstáculos pero evitaría que el calor volviera a salir, un problema clave en los sistemas actuales. Y si el aerogel transparente fuera suficientemente claro, se podría incorporar en ventanas, donde actuaría como una buena barrera contra el calor pero aún permitiría que los ocupantes vieran hacia afuera.

Cuando los investigadores comenzaron su trabajo, incluso los mejores aerogeles no estaban a la altura de esas tareas. "La gente sabía desde hace décadas que los aerogeles son un buen aislante térmico, pero no habían podido hacerlos muy transparentes ópticamente, "dice Lin Zhao Ph.D. '19 de ingeniería mecánica." Así que en nuestro trabajo, hemos intentado comprender exactamente por qué no son muy transparentes, y luego cómo podemos mejorar su transparencia ".

Aerogeles:oportunidades y desafíos

Las notables propiedades de un aerogel de sílice son el resultado de su estructura a nanoescala. Para visualizar esa estructura, Piense en sostener una pila de pequeños, partículas claras en tu mano. Imagina que las partículas se tocan entre sí y se pegan ligeramente, dejando espacios entre ellos que se llenan de aire. Similar, en un aerogel de sílice, claro, vagamente conectado, Las partículas de sílice a nanoescala forman una red sólida tridimensional dentro de una estructura general que es principalmente aire. Por todo ese aire un aerogel de sílice tiene una densidad extremadamente baja; de hecho, una de las densidades más bajas de cualquier material a granel conocido, pero es sólido y estructuralmente fuerte, aunque frágil.

Si un aerogel de sílice está hecho de partículas transparentes y aire, ¿por qué no es transparente? Porque la luz que entra no pasa toda directamente. Se desvía cada vez que encuentra una interfaz entre una partícula sólida y el aire que la rodea. La figura 1 ilustra el proceso. Cuando la luz entra en el aerogel, algo se absorbe en su interior. Algunos, llamados transmitancia directa, viajan directamente. Y algunas son redirigidas a lo largo del camino por esas interfaces. Puede esparcirse muchas veces y en cualquier dirección, finalmente saliendo del aerogel en ángulo. Si sale de la superficie por la que entró, se llama reflectancia difusa; si sale por el otro lado, se llama transmitancia difusa.

Para hacer un aerogel para un sistema solar térmico, los investigadores necesitaban maximizar la transmitancia total:los componentes directos más los difusos. Y hacer un aerogel por ventana, necesitaban maximizar la transmitancia total y minimizar simultáneamente la fracción del total que es luz difusa. "Minimizar la luz difusa es fundamental porque hará que la ventana se vea turbia, "dice Zhao." Nuestros ojos son muy sensibles a cualquier imperfección en un material transparente ".

Desarrollando un modelo

Los tamaños de las nanopartículas y los poros entre ellas tienen un impacto directo en el destino de la luz que atraviesa un aerogel. Pero descubrir esa interacción por ensayo y error requeriría sintetizar y caracterizar demasiadas muestras para ser práctico. "La gente no ha podido comprender de forma sistemática la relación entre la estructura y el rendimiento, ", dice Zhao." Así que necesitábamos desarrollar un modelo que conectara los dos ".

Empezar, Zhao se volvió hacia la ecuación de transporte radiativo, que describe matemáticamente cómo la propagación de la luz (radiación) a través de un medio se ve afectada por la absorción y la dispersión. Generalmente se usa para calcular la transferencia de luz a través de las atmósferas de la Tierra y otros planetas. Por lo que Wang sabe, no se ha explorado completamente para el problema del aerogel.

Tanto la dispersión como la absorción pueden reducir la cantidad de luz transmitida a través de un aerogel, y la luz se puede dispersar varias veces. Para dar cuenta de esos efectos, el modelo desacopla los dos fenómenos y los cuantifica por separado y para cada longitud de onda de la luz.

Según los tamaños de las partículas de sílice y la densidad de la muestra (un indicador del volumen total de poros), el modelo calcula la intensidad de la luz dentro de una capa de aerogel determinando su comportamiento de absorción y dispersión utilizando predicciones de la teoría electromagnética. Usando esos resultados, calcula cuánta luz entrante pasa directamente a través de la muestra y cuánta se dispersa a lo largo del camino y sale difusa.

La siguiente tarea fue validar el modelo comparando sus predicciones teóricas con resultados experimentales.

Aerogeles de síntesis

Trabajando en paralelo, La estudiante graduada Elise Strobach de ingeniería mecánica había estado aprendiendo la mejor manera de sintetizar muestras de aerogel, tanto para guiar el desarrollo del modelo como, en última instancia, para validarlo. En el proceso, produjo nuevas ideas sobre cómo sintetizar un aerogel con una estructura específica deseada.

Su procedimiento comienza con una forma común de silicio llamada silano, que reacciona químicamente con el agua para formar un aerogel. Durante esa reacción, Los diminutos sitios de nucleación ocurren donde las partículas comienzan a formarse. La rapidez con que se acumulan determina la estructura final. Para controlar la reacción, ella agrega un catalizador, amoníaco. Seleccionando cuidadosamente la relación amoniaco-silano, Ella consigue que las partículas de sílice crezcan rápidamente al principio y luego dejen de crecer abruptamente cuando los materiales precursores desaparecen, un medio para producir partículas que son pequeñas y uniformes. Ella también agrega un solvente, metanol, para diluir la mezcla y controlar la densidad de los sitios de nucleación, de ahí los poros entre las partículas.

La reacción entre el silano y el agua forma un gel que contiene una nanoestructura sólida con poros interiores llenos de disolvente. Para secar el gel húmedo, Strobach necesita sacar el solvente de los poros y reemplazarlo con aire, sin aplastar la delicada estructura. Ella pone el aerogel en la cámara de presión de un secador de punto crítico e inunda CO líquido ₂ en la recámara. El CO líquido ₂ enjuaga el solvente y toma su lugar dentro de los poros. Luego, aumenta lentamente la temperatura y la presión dentro de la cámara hasta que el CO líquido ₂ se transforma a su estado supercrítico, donde las fases líquida y gaseosa ya no se pueden diferenciar. Ventilar lentamente la cámara libera el CO ₂ y deja el aerogel atrás, ahora lleno de aire. Luego somete la muestra a 24 horas de recocido, un proceso de tratamiento térmico estándar, que reduce ligeramente la dispersión sin sacrificar el fuerte comportamiento de aislamiento térmico. Incluso con las 24 horas de recocido, su nuevo procedimiento acorta el tiempo requerido de síntesis de aerogel de varias semanas a menos de cuatro días.

Validando y usando el modelo

Para validar el modelo, Strobach fabricó muestras con espesores cuidadosamente controlados, densidades, y tamaños de poros y partículas, según lo determinado por la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, y se utilizó un espectrofotómetro estándar para medir la transmitancia total y difusa.

Los datos confirmaron que, basado en las propiedades físicas medidas de una muestra de aerogel, el modelo podría calcular la transmitancia total de la luz, así como una medida de claridad llamada neblina, definida como la fracción de transmitancia total que se compone de luz difusa.

El ejercicio confirmó la simplificación de las suposiciones hechas por Zhao al desarrollar el modelo. También, mostró que las propiedades radiativas son independientes de la geometría de la muestra, por lo que su modelo puede simular el transporte de luz en aerogeles de cualquier forma. Y se puede aplicar no solo a los aerogeles, sino a cualquier material poroso.

Wang señala lo que ella considera la información más importante del modelado y los resultados experimentales:"En general, Determinamos que la clave para obtener una alta transparencia y una neblina mínima, sin reducir la capacidad de aislamiento térmico, es tener partículas y poros que sean realmente pequeños y de tamaño uniforme. " ella dice.

Un análisis demuestra el cambio de comportamiento que puede producirse con un pequeño cambio en el tamaño de las partículas. Muchas aplicaciones requieren el uso de una pieza más gruesa de aerogel transparente para bloquear mejor la transferencia de calor. Pero aumentar el grosor puede disminuir la transparencia. Siempre que el tamaño de partícula sea pequeño, aumentar el espesor para lograr un mayor aislamiento térmico no disminuirá significativamente la transmitancia total ni aumentará la bruma.

Comparación de aerogeles del MIT y de otros lugares

¿Qué diferencia hace su enfoque? "Nuestros aerogeles son más transparentes que el vidrio porque no reflejan, no tienen ese punto de deslumbramiento donde el vidrio capta la luz y se refleja en usted. "dice Strobach.

Para Lin, una de las principales contribuciones de su trabajo es el desarrollo de directrices generales para el diseño de materiales, como lo demuestra la Figura 4 en la presentación de diapositivas anterior. Con la ayuda de un "mapa de diseño, "los usuarios pueden adaptar un aerogel para una aplicación en particular. Según los diagramas de contorno, pueden determinar las combinaciones de propiedades controlables del aerogel, a saber, densidad y tamaño de partícula:necesarios para lograr un resultado de transmitancia y neblina específico para muchas aplicaciones.

Aerogeles en colectores solares térmicos

Los investigadores ya han demostrado el valor de sus nuevos aerogeles para los sistemas de conversión de energía solar térmica, que convierten la luz solar en energía térmica absorbiendo la radiación y transformándola en calor. Los sistemas solares térmicos actuales pueden producir energía térmica a las llamadas temperaturas intermedias, entre 120 y 220 grados Celsius, que se puede utilizar para calentar agua y espacios. generación de vapor, procesos industriales, y más. En efecto, en 2016, El consumo estadounidense de energía térmica superó la generación total de electricidad de todas las fuentes renovables.

Sin embargo, Los sistemas solares térmicos de última generación se basan en costosos sistemas ópticos para concentrar la luz solar entrante, Superficies especialmente diseñadas para absorber la radiación y retener el calor, y recintos de vacío costosos y difíciles de mantener para evitar que se escape el calor. Hasta la fecha, los costos de esos componentes tienen una adopción limitada en el mercado.

Zhao y sus colegas pensaron que el uso de una capa de aerogel transparente podría resolver esos problemas. Colocado sobre el absorbedor, podría dejar pasar la radiación solar incidente y luego evitar que el calor se escape. Por lo tanto, esencialmente replicaría el efecto invernadero natural que está causando el calentamiento global, pero en un grado extremo, a pequeña escala, y con un resultado positivo.

Para probarlo los investigadores diseñaron un receptor térmico solar a base de aerogel. El dispositivo consta de un absorbente casi de "cuerpo negro" (una fina lámina de cobre recubierta con pintura negra que absorbe toda la energía radiante que cae sobre él), y encima una pila de optimizados, bloques de aerogel de sílice de baja dispersión, que transmiten eficazmente la luz solar y suprimen la conducción, convección, y pérdidas de calor por radiación simultáneamente. La nanoestructura del aerogel está diseñada para maximizar su transparencia óptica mientras se mantiene su conductividad térmica ultrabaja. Con el aerogel presente, no hay necesidad de ópticas caras, superficies, o envolventes de vacío.

Después de extensas pruebas de laboratorio del dispositivo, los investigadores decidieron probarlo "en el campo"; en este caso, en el techo de un edificio del MIT. En un día soleado de invierno configuraron su dispositivo, fijando el receptor hacia el sur e inclinado 60 grados desde la horizontal para maximizar la exposición solar. Luego monitorearon su desempeño entre las 11 a.m. y la 1 p.m. A pesar de la temperatura ambiente fría (menos de 1 grado C) y la presencia de nubes por la tarde, la temperatura del absorbedor comenzó a aumentar de inmediato y finalmente se estabilizó por encima de 220 C.

Para Zhao, el rendimiento ya demostrado por el efecto invernadero artificial abre lo que él llama "un camino emocionante para la promoción de la utilización de la energía solar térmica". Ya, él y sus colegas han demostrado que puede convertir agua en vapor superior a 120 C. En colaboración con investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Bombay, ahora están explorando posibles aplicaciones de vapor de proceso en la India y realizando pruebas de campo de bajo costo, autoclave solar completamente pasivo para esterilizar equipos médicos en comunidades rurales.

Windows y más

Strobach ha estado buscando otra aplicación prometedora para el aerogel transparente:en ventanas. "Al intentar hacer aerogeles más transparentes, alcanzamos un régimen en nuestro proceso de fabricación en el que podríamos hacer las cosas más pequeñas, pero no resultó en un cambio significativo en la transparencia, ", dice." Pero hizo un cambio significativo en la claridad, "una característica clave para una ventana.

La disponibilidad de un asequible la ventana térmicamente aislante tendría varios impactos, dice Strobach. Cada invierno, Las ventanas en los Estados Unidos pierden suficiente energía para abastecer a más de 50 millones de hogares. Esa energía desperdiciada le cuesta a la economía más de $ 32 mil millones al año y genera alrededor de 350 millones de toneladas de CO ₂ —Más de lo que emiten 76 millones de automóviles. Los consumidores pueden elegir ventanas de triple panel de alta eficiencia, pero son tan caros que no se utilizan mucho.

Los análisis de Strobach y sus colegas mostraron que reemplazar el espacio de aire en una ventana de doble panel convencional con un panel de aerogel podría ser la respuesta. El resultado podría ser una ventana de doble panel que sea un 40 por ciento más aislante que las tradicionales y un 85 por ciento más aislante que las ventanas de triple cristal de la actualidad, a menos de la mitad del precio. Mejor aún, la tecnología podría adoptarse rápidamente. El panel de aerogel está diseñado para encajar en el actual proceso de fabricación de dos paneles que es omnipresente en toda la industria. por lo que podría fabricarse a bajo costo en las líneas de producción existentes con solo cambios menores.

Guiado por el modelo de Zhao, los investigadores continúan mejorando el rendimiento de sus aerogeles, con un enfoque especial en aumentar la claridad manteniendo la transparencia y el aislamiento térmico. Además, Están considerando otros sistemas tradicionales de bajo costo que, como la tecnología solar térmica y de ventanas, se beneficiarían del deslizamiento en un aerogel optimizado para crear una barrera térmica de alto rendimiento que deja entrar abundante luz solar.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.