Un materiale di nuova concezione che è così perfettamente trasparente che puoi a malapena vederlo potrebbe sbloccare molti nuovi usi per il calore solare. Genera temperature molto più elevate rispetto ai collettori solari convenzionali, sufficienti per essere utilizzato per il riscaldamento domestico o per processi industriali che richiedono un calore superiore a 200 gradi Celsius (392 gradi Fahrenheit).

La chiave del processo è un nuovo tipo di aerogel, un materiale leggero che consiste principalmente di aria, con struttura in silice (utilizzata anche per la fabbricazione del vetro). Il materiale lascia passare facilmente la luce solare ma impedisce la fuoriuscita del calore solare. I risultati sono descritti nella rivista ACS Nano , in un articolo di Lin Zhao, uno studente laureato del MIT; Evelyn Wang, professore e direttore del Dipartimento di Ingegneria Meccanica; Gang Chen, il professore Carl Richard Soderberg in ingegneria energetica; e altri cinque.

La chiave per una raccolta efficiente del calore solare, Wang spiega, è riuscire a mantenere qualcosa di caldo all'interno pur rimanendo freddo all'esterno. Un modo per farlo è usare un vuoto tra uno strato di vetro e un buio, materiale che assorbe il calore, che è il metodo utilizzato in molti collettori solari a concentrazione, ma è relativamente costoso da installare e mantenere. C'è stato un grande interesse nel trovare un prodotto meno costoso, sistema passivo per la raccolta del calore solare ai livelli di temperatura più elevati necessari per il riscaldamento degli ambienti, trasformazione dei prodotti alimentari, o molti processi industriali.

Aerogel, una sorta di materiale simile alla schiuma fatto di particelle di silice, sono stati sviluppati per anni come materiali isolanti altamente efficienti e leggeri, ma in genere hanno avuto una trasparenza limitata alla luce visibile, con un livello di trasmissione di circa il 70%. Wang afferma che lo sviluppo di un modo per produrre aerogel sufficientemente trasparenti da funzionare per la raccolta del calore solare è stato un processo lungo e difficile che ha coinvolto diversi ricercatori per circa quattro anni. Ma il risultato è un aerogel che lascia passare oltre il 95% della luce solare in entrata mantenendo le sue proprietà altamente isolanti.

La chiave per farlo funzionare era nei rapporti precisi dei diversi materiali utilizzati per creare l'aerogel, che sono realizzati mescolando un catalizzatore con grani di un composto contenente silice in una soluzione liquida, formando una specie di gel, e poi asciugandolo per far uscire tutto il liquido, lasciando una matrice che è principalmente aria ma mantiene la forza della miscela originale. Producendo un mix che si asciuga molto più velocemente di quelli degli aerogel convenzionali, hanno trovato, prodotto un gel con pori più piccoli tra i suoi grani, e che perciò disperdeva molto meno la luce.

Nei test su un tetto del campus del MIT, un dispositivo passivo costituito da un materiale scuro termoassorbente ricoperto da uno strato del nuovo aerogel era in grado di raggiungere e mantenere una temperatura di 220 C, nel bel mezzo di un inverno di Cambridge quando l'aria esterna era al di sotto di 0 C.

Temperature così elevate erano in precedenza praticabili solo utilizzando sistemi di concentrazione, con specchi per focalizzare la luce del sole su una linea o un punto centrale, ma questo sistema non richiede concentrazione, rendendolo più semplice e meno costoso. Ciò potrebbe potenzialmente renderlo utile per un'ampia varietà di applicazioni che richiedono livelli più elevati di calore.

Per esempio, per l'acqua calda sanitaria vengono spesso utilizzati semplici collettori a tetto piano, producendo temperature di circa 80 C. Ma le temperature più elevate consentite dal sistema aerogel potrebbero rendere tali sistemi semplici utilizzabili anche per il riscaldamento domestico, e anche per alimentare un impianto di condizionamento. Le versioni su larga scala potrebbero essere utilizzate per fornire calore per un'ampia varietà di applicazioni nei settori chimico, produzione di cibo, e processi produttivi.

Zhao descrive la funzione di base dello strato di aerogel come "come un effetto serra. Il materiale che usiamo per aumentare la temperatura agisce come fa l'atmosfera terrestre per fornire isolamento, ma questo ne è un esempio estremo".

Per la maggior parte degli scopi, il sistema di raccolta del calore passivo sarebbe collegato a tubi contenenti un liquido che potrebbe circolare per trasferire il calore dove è necessario. In alternativa, Wang suggerisce, per alcuni utilizzi il sistema potrebbe essere collegato a tubi di calore, dispositivi in ​​grado di trasferire calore a distanza senza richiedere pompe o parti in movimento.

Poiché il principio è essenzialmente lo stesso, un collettore di calore solare a base di aerogel potrebbe sostituire direttamente i collettori a vuoto utilizzati in alcune applicazioni esistenti, fornendo un'opzione a basso costo. I materiali utilizzati per realizzare l'aerogel sono tutti abbondanti e poco costosi; l'unica parte costosa del processo è l'essiccazione, che richiede un dispositivo specializzato chiamato essiccatore a punto critico per consentire un processo di essiccazione molto preciso che estrae i solventi dal gel preservandone la struttura su scala nanometrica.

Poiché si tratta di un processo batch piuttosto che continuo che potrebbe essere utilizzato nella produzione roll-to-roll, potrebbe limitare il tasso di produzione se il sistema viene scalato fino ai livelli di produzione industriale. "La chiave per lo scaleup è come possiamo ridurre il costo di quel processo, " dice Wang. Ma anche adesso, un'analisi economica preliminare mostra che il sistema può essere economicamente sostenibile per alcuni usi, soprattutto rispetto ai sistemi basati sul vuoto.

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.