Un material recientemente desarrollado que es tan perfectamente transparente que apenas se puede ver podría desbloquear muchos usos nuevos para el calor solar. Genera temperaturas mucho más altas que los colectores solares convencionales, lo suficiente como para usarse para calefacción doméstica o para procesos industriales que requieren un calor de más de 200 grados Celsius (392 grados Fahrenheit).

La clave del proceso es un nuevo tipo de aerogel, un material ligero que se compone principalmente de aire, con una estructura de sílice (que también se utiliza para fabricar vidrio). El material permite que la luz del sol pase fácilmente pero bloquea el escape del calor solar. Los hallazgos se describen en la revista. ACS Nano , en un artículo de Lin Zhao, un estudiante de posgrado del MIT; Evelyn Wang, profesor y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica; Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética; y otros cinco.

La clave para una recolección eficiente de calor solar, Wang explica, es poder mantener algo caliente internamente mientras permanece frío por fuera. Una forma de hacerlo es usar una aspiradora entre una capa de vidrio y una capa oscura, material absorbente de calor, que es el método utilizado en muchos colectores solares de concentración, pero es relativamente caro de instalar y mantener. Ha habido un gran interés en encontrar un sistema pasivo para recolectar calor solar a los niveles de temperatura más altos necesarios para la calefacción de espacios, procesamiento de alimentos, o muchos procesos industriales.

Aerogeles, una especie de material espumoso hecho de partículas de sílice, se han desarrollado durante años como materiales aislantes altamente eficientes y ligeros, pero por lo general han tenido una transparencia limitada a la luz visible, con un nivel de transmisión de alrededor del 70 por ciento. Wang dice que desarrollar una forma de hacer aerogeles que sean lo suficientemente transparentes como para funcionar en la recolección de calor solar fue un proceso largo y difícil que involucró a varios investigadores durante aproximadamente cuatro años. Pero el resultado es un aerogel que deja pasar más del 95 por ciento de la luz solar entrante mientras mantiene sus propiedades altamente aislantes.

La clave para hacerlo funcionar fue en las proporciones precisas de los diferentes materiales utilizados para crear el aerogel, que se obtienen mezclando un catalizador con granos de un compuesto que contiene sílice en una solución líquida, formando una especie de gel, y luego secarlo para sacar todo el líquido, dejando una matriz que es principalmente aire pero que conserva la fuerza de la mezcla original. Produciendo una mezcla que se seca mucho más rápido que las de los aerogeles convencionales, ellos encontraron, produjo un gel con espacios porosos más pequeños entre sus granos, y que por tanto esparció la luz mucho menos.

En pruebas en una azotea en el campus del MIT, un dispositivo pasivo que consiste en un material oscuro absorbente de calor cubierto con una capa del nuevo aerogel pudo alcanzar y mantener una temperatura de 220 C, en medio de un invierno de Cambridge cuando el aire exterior estaba por debajo de 0 C.

Hasta ahora, estas altas temperaturas solo eran prácticas mediante el uso de sistemas de concentración, con espejos para enfocar la luz del sol en una línea o punto central, pero este sistema no requiere concentración, haciéndolo más simple y menos costoso. Eso podría potencialmente hacerlo útil para una amplia variedad de aplicaciones que requieren niveles más altos de calor.

Por ejemplo, Los colectores de techo planos simples se utilizan a menudo para agua caliente sanitaria, produciendo temperaturas de alrededor de 80 C.Pero las temperaturas más altas permitidas por el sistema de aerogel podrían hacer que sistemas tan simples también se puedan usar para la calefacción doméstica, e incluso para alimentar un sistema de aire acondicionado. Se pueden utilizar versiones a gran escala para proporcionar calor para una amplia variedad de aplicaciones en productos químicos, la producción de alimentos, y procesos de fabricación.

Zhao describe la función básica de la capa de aerogel como "como un efecto invernadero. El material que usamos para aumentar la temperatura actúa como lo hace la atmósfera de la Tierra para proporcionar aislamiento, pero este es un ejemplo extremo de ello ".

Para la mayoría de los propósitos, el sistema de recolección de calor pasivo estaría conectado a tuberías que contengan un líquido que pueda circular para transferir el calor a donde sea necesario. Alternativamente, Wang sugiere, para algunos usos, el sistema podría conectarse a tubos de calor, dispositivos que pueden transferir calor a una distancia sin necesidad de bombas ni piezas móviles.

Debido a que el principio es esencialmente el mismo, un colector de calor solar a base de aerogel podría reemplazar directamente a los colectores de vacío utilizados en algunas aplicaciones existentes, proporcionando una opción de menor costo. Los materiales utilizados para fabricar el aerogel son todos abundantes y económicos; la única parte costosa del proceso es el secado, que requiere un dispositivo especializado llamado secador de punto crítico para permitir un proceso de secado muy preciso que extrae los solventes del gel mientras preserva su estructura a nanoescala.

Debido a que es un proceso por lotes en lugar de uno continuo que podría usarse en la fabricación de rollo a rollo, podría limitar la tasa de producción si el sistema se amplía a niveles de producción industrial. "La clave para la ampliación es cómo podemos reducir el costo de ese proceso, "Dice Wang. Pero incluso ahora, un análisis económico preliminar muestra que el sistema puede ser económicamente viable para algunos usos, especialmente en comparación con los sistemas basados ​​en vacío.

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.