Negli ultimi decenni, la ricerca di isolanti termici ad alte prestazioni per gli edifici ha spinto i produttori a rivolgersi agli aerogel. Inventato negli anni '30, questi straordinari materiali sono traslucidi, ultraporoso, più leggero di un marshmallow, abbastanza forte da sostenere un mattone, e un'impareggiabile barriera al flusso di calore, rendendoli ideali per mantenere il calore all'interno in una fredda giornata invernale e all'esterno quando le temperature estive aumentano.

Cinque anni fa, ricercatori guidati da Evelyn Wang, professore e capo del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, e Gang Chen, il professore Carl Richard Soderberg in ingegneria energetica, deciso di aggiungere un'altra proprietà a quell'elenco. Miravano a creare un aerogel di silice che fosse veramente trasparente.

"Abbiamo iniziato cercando di realizzare un trasparente otticamente, aerogel termoisolante per impianti solari termici, " dice Wang. Incorporato in un collettore solare termico, una lastra di aerogel consentirebbe al sole di entrare senza impedimenti ma impedirebbe al calore di tornare fuori, un problema chiave nei sistemi odierni. E se l'aerogel trasparente fosse sufficientemente chiaro, potrebbe essere incorporato in finestre, dove fungerebbe da buona barriera termica ma consentirebbe comunque agli occupanti di vedere fuori.

Quando i ricercatori hanno iniziato il loro lavoro, anche i migliori aerogel non erano all'altezza di questi compiti. "La gente sapeva da decenni che gli aerogel sono un buon isolante termico, ma non erano riusciti a renderli molto otticamente trasparenti, " dice Lin Zhao Ph.D. '19 di ingegneria meccanica. "Quindi nel nostro lavoro, abbiamo cercato di capire esattamente perché non sono molto trasparenti, e poi come possiamo migliorare la loro trasparenza."

Aerogel:opportunità e sfide

Le notevoli proprietà di un aerogel di silice sono il risultato della sua struttura su scala nanometrica. Per visualizzare quella struttura, pensare di tenere un mucchio di piccoli, particelle chiare nella tua mano. Immagina che le particelle si tocchino e si attacchino leggermente tra loro, lasciando spazi vuoti tra loro che sono pieni d'aria. Allo stesso modo, in un aerogel di silice, chiaro, collegato in modo lasco, particelle di silice su scala nanometrica formano una rete solida tridimensionale all'interno di una struttura complessiva che è principalmente aria. A causa di tutta quell'aria, un aerogel di silice ha una densità estremamente bassa, infatti, una delle densità più basse di qualsiasi materiale sfuso conosciuto, eppure è solido e strutturalmente forte, sebbene fragile.

Se un aerogel di silice è composto da particelle trasparenti e aria, perchè non è trasparente? Perché la luce che entra non passa tutta dritta. Viene deviato ogni volta che incontra un'interfaccia tra una particella solida e l'aria che la circonda. La figura 1 illustra il processo. Quando la luce entra nell'aerogel, parte viene assorbita al suo interno. Alcuni, chiamati trasmittanza diretta, viaggiano dritti. E alcuni vengono reindirizzati lungo la strada da quelle interfacce. Può essere disperso molte volte e in qualsiasi direzione, alla fine esce dall'aerogel ad angolo. Se esce dalla superficie attraverso la quale è entrato, si chiama riflettanza diffusa; se esce dall'altra parte, si chiama trasmittanza diffusa.

Per realizzare un aerogel per un impianto solare termico, i ricercatori avevano bisogno di massimizzare la trasmittanza totale:le componenti dirette più quelle diffuse. E per fare un aerogel per una finestra, avevano bisogno di massimizzare la trasmittanza totale e contemporaneamente minimizzare la frazione del totale che è luce diffusa. "Ridurre al minimo la luce diffusa è fondamentale perché farà sembrare la finestra torbida, " dice Zhao. "I nostri occhi sono molto sensibili a qualsiasi imperfezione in un materiale trasparente."

Sviluppo di un modello

Le dimensioni delle nanoparticelle e dei pori tra di esse hanno un impatto diretto sul destino della luce che passa attraverso un aerogel. Ma capire che l'interazione per tentativi ed errori richiederebbe la sintesi e la caratterizzazione di troppi campioni per essere pratico. "Le persone non sono state in grado di comprendere sistematicamente la relazione tra la struttura e la performance, " dice Zhao. "Quindi avevamo bisogno di sviluppare un modello che collegasse i due".

Iniziare, Zhao passò all'equazione del trasporto radiativo, che descrive matematicamente come la propagazione della luce (radiazione) attraverso un mezzo è influenzata dall'assorbimento e dalla diffusione. Viene generalmente utilizzato per calcolare il trasferimento di luce attraverso le atmosfere della Terra e di altri pianeti. Per quanto ne sa Wang, non è stato completamente esplorato per il problema dell'aerogel.

Sia la dispersione che l'assorbimento possono ridurre la quantità di luce trasmessa attraverso un aerogel, e la luce può essere diffusa più volte. Per tenere conto di tali effetti, il modello disaccoppia i due fenomeni e li quantifica separatamente e per ciascuna lunghezza d'onda della luce.

Sulla base delle dimensioni delle particelle di silice e della densità del campione (un indicatore del volume totale dei pori), il modello calcola l'intensità della luce all'interno di uno strato di aerogel determinandone l'assorbimento e il comportamento di dispersione utilizzando le previsioni della teoria elettromagnetica. Utilizzando questi risultati, calcola quanta luce in ingresso passa direttamente attraverso il campione e quanta di essa viene dispersa lungo il percorso ed esce diffusa.

Il compito successivo era convalidare il modello confrontando le sue previsioni teoriche con i risultati sperimentali.

Sintetizzare gli aerogel

Lavorando in parallelo, la studentessa laureata Elise Strobach di ingegneria meccanica stava imparando il modo migliore per sintetizzare campioni di aerogel, sia per guidare lo sviluppo del modello sia, in definitiva, per convalidarlo. Nel processo, ha prodotto nuove intuizioni su come sintetizzare un aerogel con una specifica struttura desiderata.

La sua procedura inizia con una forma comune di silicio chiamato silano, che reagisce chimicamente con l'acqua per formare un aerogel. Durante quella reazione, piccoli siti di nucleazione si verificano dove iniziano a formarsi le particelle. La velocità con cui si accumulano determina la struttura finale. Per controllare la reazione, lei aggiunge un catalizzatore, ammoniaca. Selezionando attentamente il rapporto ammoniaca/silano, fa in modo che le particelle di silice crescano rapidamente all'inizio e poi smettano bruscamente di crescere quando i materiali precursori sono spariti, un mezzo per produrre particelle piccole e uniformi. Aggiunge anche un solvente, metanolo, per diluire la miscela e controllare la densità dei siti di nucleazione, così i pori tra le particelle.

La reazione tra il silano e l'acqua forma un gel contenente una nanostruttura solida con pori interni riempiti con il solvente. Per asciugare il gel umido, Strobach ha bisogno di estrarre il solvente dai pori e sostituirlo con aria, senza schiacciare la delicata struttura. Mette l'aerogel nella camera a pressione di un essiccatore a punto critico e inonda CO . liquida ₂ nella camera. La CO . liquida ₂ elimina il solvente e prende posto all'interno dei pori. Quindi alza lentamente la temperatura e la pressione all'interno della camera fino a quando la CO . liquida ₂ si trasforma nel suo stato supercritico, dove le fasi liquida e gassosa non possono più essere differenziate. Sfiatare lentamente la camera rilascia la CO ₂ e lascia l'aerogel dietro, ora pieno d'aria. Quindi sottopone il campione a 24 ore di ricottura, un processo di trattamento termico standard, che riduce leggermente la dispersione senza sacrificare il forte comportamento di isolamento termico. Anche con le 24 ore di ricottura, la sua nuova procedura riduce il tempo necessario per la sintesi dell'aerogel da diverse settimane a meno di quattro giorni.

Convalida e utilizzo del modello

Per convalidare il modello, Strobach ha fabbricato campioni con spessori accuratamente controllati, densità, e le dimensioni dei pori e delle particelle, determinate dalla dispersione dei raggi X a piccolo angolo, e hanno utilizzato uno spettrofotometro standard per misurare la trasmittanza totale e diffusa.

I dati hanno confermato che, sulla base delle proprietà fisiche misurate di un campione di aerogel, il modello potrebbe calcolare la trasmittanza totale della luce e una misura di chiarezza chiamata foschia, definita come la frazione della trasmittanza totale costituita da luce diffusa.

L'esercizio ha confermato le ipotesi semplificative fatte da Zhao nello sviluppo del modello. Anche, ha mostrato che le proprietà radiative sono indipendenti dalla geometria del campione, quindi il suo modello può simulare il trasporto della luce in aerogel di qualsiasi forma. E può essere applicato non solo agli aerogel, ma a qualsiasi materiale poroso.

Wang nota ciò che considera l'intuizione più importante dalla modellazione e dai risultati sperimentali:"Nel complesso, abbiamo stabilito che la chiave per ottenere un'elevata trasparenza e una foschia minima, senza ridurre la capacità di isolamento termico, è avere particelle e pori davvero piccoli e di dimensioni uniformi, " lei dice.

Un'analisi dimostra il cambiamento nel comportamento che può derivare da un piccolo cambiamento nella dimensione delle particelle. Molte applicazioni richiedono l'utilizzo di un pezzo di aerogel trasparente più spesso per bloccare meglio il trasferimento di calore. Ma l'aumento dello spessore può ridurre la trasparenza. Finché la dimensione delle particelle è piccola, l'aumento dello spessore per ottenere un maggiore isolamento termico non ridurrà significativamente la trasmittanza totale o aumenterà l'opacità.

Confronto tra aerogel del MIT e altrove

Quanta differenza fa il loro approccio? "I nostri aerogel sono più trasparenti del vetro perché non riflettono, non hanno quel punto di abbagliamento in cui il vetro cattura la luce e si riflette su di te, "dice Strobach.

A Lin, un contributo principale del loro lavoro è lo sviluppo di linee guida generali per la progettazione dei materiali, come dimostrato dalla Figura 4 nella presentazione sopra. Aiutato da una tale "mappa progettuale, " gli utenti possono personalizzare un aerogel per una particolare applicazione. Sulla base dei grafici di contorno, possono determinare le combinazioni di proprietà dell'aerogel controllabili, vale a dire, densità e dimensione delle particelle, necessarie per ottenere un risultato di foschia e trasmittanza mirato per molte applicazioni.

Aerogel nei collettori solari termici

I ricercatori hanno già dimostrato il valore dei loro nuovi aerogel per i sistemi di conversione dell'energia solare termica, che convertono la luce solare in energia termica assorbendo le radiazioni e trasformandole in calore. Gli attuali sistemi solari termici possono produrre energia termica alle cosiddette temperature intermedie, tra 120 e 220 gradi Celsius, che possono essere utilizzate per il riscaldamento dell'acqua e degli ambienti, generazione di vapore, processi industriali, e altro ancora. Infatti, nel 2016, Il consumo di energia termica degli Stati Uniti ha superato la produzione totale di elettricità da tutte le fonti rinnovabili.

Però, i moderni sistemi solari termici si affidano a costosi sistemi ottici per concentrare la luce solare in entrata, superfici appositamente progettate per assorbire le radiazioni e trattenere il calore, e involucri sottovuoto costosi e difficili da mantenere per evitare che il calore fuoriesca. Ad oggi, i costi di tali componenti hanno una limitata adozione da parte del mercato.

Zhao e i suoi colleghi pensavano che l'uso di uno strato di aerogel trasparente potesse risolvere questi problemi. Posto sopra l'assorbitore, potrebbe lasciar passare la radiazione solare incidente e quindi impedire la fuoriuscita del calore. Quindi replicherebbe essenzialmente l'effetto serra naturale che sta causando il riscaldamento globale, ma in misura estrema, su piccola scala, e con esito positivo.

Per provarlo, i ricercatori hanno progettato un ricevitore termico solare a base di aerogel. Il dispositivo è costituito da un assorbitore quasi "corpo nero" (un sottile foglio di rame rivestito di vernice nera che assorbe tutta l'energia radiante che cade su di esso), e sopra di esso una pila di ottimizzati, blocchi di aerogel di silice a bassa dispersione, che trasmettono efficacemente la luce solare e sopprimono la conduzione, convezione, e perdite di calore per irraggiamento contemporaneamente. La nanostruttura dell'aerogel è adattata per massimizzare la sua trasparenza ottica mantenendo la sua conduttività termica ultrabassa. Con l'aerogel presente, non c'è bisogno di ottiche costose, superfici, o involucri sottovuoto.

Dopo approfonditi test di laboratorio del dispositivo, i ricercatori hanno deciso di testarlo "sul campo", in questo caso, sul tetto di un edificio del MIT. In una giornata di sole d'inverno, configurano il loro dispositivo, fissando il ricevitore verso sud e inclinato di 60 gradi rispetto all'orizzontale per massimizzare l'esposizione solare. Hanno quindi monitorato le sue prestazioni tra le 11:00 e le 13:00. Nonostante la temperatura ambiente fredda (meno di 1 grado C) e la presenza di nubi nel pomeriggio, la temperatura dell'assorbitore ha iniziato ad aumentare subito e alla fine si è stabilizzata sopra i 220 C.

A Zhao, le prestazioni già dimostrate dall'effetto serra artificiale aprono quello che lui chiama "un percorso entusiasmante per la promozione dell'utilizzo dell'energia solare termica". Già, lui e i suoi colleghi hanno dimostrato che può convertire l'acqua in vapore superiore a 120 C. In collaborazione con i ricercatori dell'Indian Institute of Technology di Bombay, stanno ora esplorando le possibili applicazioni del vapore di processo in India e stanno eseguendo test sul campo a basso costo, autoclave solare completamente passiva per la sterilizzazione di apparecchiature mediche nelle comunità rurali.

Finestre e altro

Strobach ha perseguito un'altra promettente applicazione per l'aerogel trasparente nelle finestre. "Nel tentativo di creare aerogel più trasparenti, abbiamo raggiunto un regime nel nostro processo di fabbricazione in cui potremmo rendere le cose più piccole, ma non ha comportato un cambiamento significativo nella trasparenza, " dice. "Ma ha fatto un cambiamento significativo nella chiarezza, " una caratteristica fondamentale per una finestra.

La disponibilità di un conveniente, finestra termicamente isolante avrebbe diversi impatti, dice Strobach. Ogni inverno, le finestre negli Stati Uniti perdono energia sufficiente per alimentare oltre 50 milioni di case. Questo spreco di energia costa all'economia più di 32 miliardi di dollari l'anno e genera circa 350 milioni di tonnellate di CO ₂ —più di quanto emesso da 76 milioni di automobili. I consumatori possono scegliere finestre a triplo vetro ad alta efficienza, ma sono così costosi che non sono ampiamente utilizzati.

Le analisi di Strobach e dei suoi colleghi hanno mostrato che la soluzione potrebbe essere sostituire il traferro in una finestra convenzionale a doppio vetro con un pannello in aerogel. Il risultato potrebbe essere una finestra a doppio vetro che è il 40 percento più isolante di quelle tradizionali e l'85 percento isolante come le finestre a tre vetri di oggi, a meno della metà del prezzo. Meglio ancora, la tecnologia potrebbe essere adottata rapidamente. Il pannello in aerogel è progettato per adattarsi all'attuale processo di produzione a due pannelli che è onnipresente in tutto il settore, quindi potrebbe essere prodotto a basso costo su linee di produzione esistenti con solo piccole modifiche.

Guidato dal modello di Zhao, i ricercatori stanno continuando a migliorare le prestazioni dei loro aerogel, con una particolare attenzione ad aumentare la trasparenza mantenendo la trasparenza e l'isolamento termico. Inoltre, stanno prendendo in considerazione altri sistemi tradizionali a basso costo che, come il solare termico e le tecnologie delle finestre, trarrebbero vantaggio dallo scorrimento in un aerogel ottimizzato per creare una barriera termica ad alte prestazioni che lascia entrare abbondante luce solare.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.