Hace cinco años, los investigadores dirigidos por Evelyn Wang, profesora y directora del Departamento de Ingeniería Mecánica, y Gang Chen, profesor Carl Richard Soderberg en ingeniería energética, decidieron agregar una propiedad a esta lista. Su objetivo era hacer un aerogel de sílice realmente transparente.
"Comenzamos tratando de hacer un aerogel ópticamente transparente y térmicamente aislante para sistemas solares térmicos", dice Wang. Integrada en un colector solar térmico, una placa de aerogel permitiría que el sol ingrese sin obstáculos, pero evitaría que el calor regrese, un problema clave en los sistemas actuales. Y si el aerogel transparente fuera lo suficientemente claro, podría integrarse en las ventanas, donde actuaría como una buena barrera térmica al tiempo que permitiría a los ocupantes ver.
Cuando los investigadores comenzaron su trabajo, incluso los mejores aerogeles no estaban a la altura de estas tareas. "La gente ha sabido durante décadas que los aerogeles son un buen aislante térmico, pero no han sido capaces de hacerlos ópticamente transparentes", dice Lin Zhao PhD '19 en ingeniería mecánica. "Entonces, en nuestro trabajo, hemos tratado de entender exactamente por qué no son muy transparentes y 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 esta estructura, considere sostener un manojo de partículas pequeñas y claras en la mano. Imagine que las partículas se tocan y se pegan ligeramente, dejando espacios llenos de aire entre ellas. Del mismo modo, en un aerogel de sílice, las nanopartículas nanométricas transparentes y poco conectadas forman una red tridimensional sólida dentro de una estructura general que es principalmente aire. Debido a todo este 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 sólido, 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 va 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, parte de ella se absorbe en el interior. Algunos, llamados transmitancia directa, viajan directamente. Y algunos son redirigidos en el camino por estas interfaces. Se puede dispersar varias veces y en cualquier dirección, eventualmente saliendo del aerogel en ángulo. Si deja la superficie a través de la cual entró, se llama reflectancia difusa; si sale del otro lado, se llama transmitancia difusa.
Para hacer un aerogel para un sistema solar térmico, los investigadores tuvieron que maximizar la transmitancia total: los componentes directos y difusos. Y para hacer un aerogel para una ventana, tuvieron que maximizar la transmitancia total y, al mismo tiempo, minimizar la fracción del total que es luz difusa. "Minimizar la luz difusa es esencial, ya que nublará la ventana", dice Zhao. "Nuestros ojos son muy sensibles a cualquier imperfección en un material transparente".
Desarrollar un modelo
El tamaño de las nanopartículas y los poros entre ellos tienen un impacto directo en el destino de la luz que pasa a través de un aerogel. Pero comprenda que la interacción por prueba y error requeriría la síntesis y caracterización de demasiadas muestras para ser práctico. "La gente no ha podido comprender sistemáticamente la relación entre estructura y rendimiento", dice Zhao. "Así que tuvimos que desarrollar un modelo que vincule a los dos".
Para comenzar, Zhao recurrió a 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. Hasta donde Wang sabe, no se ha explorado completamente el problema del aerogel.
La difusión y la absorción pueden reducir la cantidad de luz transmitida a través de un aerogel, y la luz puede dispersarse varias veces. Para tener en cuenta estos efectos, el modelo disocia los dos fenómenos y los cuantifica por separado, y para cada longitud de onda de la luz.
Dependiendo del tamaño 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 del aerogel determinando su comportamiento de absorción y difusión utilizando predicciones de la teoría electromagnética. Utilizando estos resultados, calcula la cantidad de luz entrante que pasa directamente a través de la muestra y la cantidad de luz dispersada en el camino y que sale de manera difusa.
La siguiente tarea fue validar el modelo comparando sus predicciones teóricas con los resultados experimentales.
Aerogeles sintéticos
Trabajando en paralelo, Elise Strobach, estudiante graduada en ingeniería mecánica, había aprendido cómo sintetizar mejor las muestras de aerogel, tanto para guiar el desarrollo del modelo como para validarlo. En el proceso, ella 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 agua para formar un aerogel. Durante esta reacción, ocurren pequeños sitios de nucleación donde las partículas comienzan a formarse. La velocidad a la que se acumulan determina la estructura final. Para controlar la reacción, agrega un catalizador, amoníaco. Al seleccionar cuidadosamente la relación amoniaco / silano, primero hace que las partículas de sílice crezcan rápidamente, luego deja de crecer repentinamente cuando desaparecen los materiales precursores, una forma de producir partículas pequeñas y uniformes. También agrega un solvente, metanol, para diluir la mezcla y controlar la densidad de los sitios de nucleación y, por lo tanto, los poros entre las partículas.
La reacción entre silano y agua forma un gel que contiene una nanoestructura sólida con poros interiores llenos de disolvente. Para secar el gel húmedo, Strobach debe eliminar el disolvente de los poros y reemplazarlo con aire, sin aplastar la delicada estructura. Coloca el aerogel en la cámara de presión de un secador de punto crítico e inunda el CO líquido2 en la habitación. CO líquido2 elimina 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 líquido2 se convierte en su estado supercrítico, donde las fases líquida y gaseosa ya no se pueden diferenciar. La ventilación lenta de la habitación libera CO2 y deja atrás el aerogel, ahora lleno de aire. Luego somete la muestra a 24 horas de recocido, un proceso de tratamiento térmico estándar, que reduce ligeramente la difusión sin sacrificar el fuerte comportamiento del aislamiento térmico. Incluso con 24 horas de recocido, su nuevo procedimiento acorta el tiempo de síntesis de aerogel requerido de varias semanas a menos de cuatro días.
Validación y uso del modelo.
Para validar el modelo, Strobach fabricó muestras con poros y tamaños de partículas, densidades y tamaños cuidadosamente controlados, determinados por dispersión de rayos X en ángulos pequeños, y utilizó un espectrofotómetro estándar para medir la transmitancia total y emisiones.
Los datos confirmaron que, con base 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 turbidez, definida como la fracción de la transmitancia total compuesta de luz difusa.
El ejercicio confirmó la simplificación de las suposiciones hechas por Zhao durante el desarrollo del modelo. Además, demostró 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 aerogeles, sino a todos los materiales porosos.
Wang señala lo que considera la visión general más importante de los resultados experimentales y de modelado: "En general, hemos determinado que la clave para lograr una alta transparencia y una turbidez mínima, sin reducir la capacidad aislamiento térmico: es tener partículas y poros que son realmente pequeños y de tamaño uniforme ", dijo.
Un análisis demuestra el cambio de comportamiento que puede ir acompañado de un pequeño cambio en el tamaño de partícula. 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. Mientras el tamaño de partícula sea pequeño, aumentar el espesor para obtener un mejor aislamiento térmico no disminuirá significativamente la transmitancia total ni aumentará la turbidez.
Comparación de aerogeles del MIT y otros lugares
¿Qué diferencia hace su enfoque? "Nuestros aerogeles son más transparentes que el vidrio porque no reflejan, no tienen ese lugar deslumbrante donde el vidrio captura la luz y refleja", dice Strobach.
Para Lin, una contribución principal de su trabajo es el desarrollo de pautas generales para el diseño de materiales, como se muestra en la Figura 4 en la presentación de diapositivas anterior. Con tal "tarjeta de diseño", los usuarios pueden personalizar un aerogel para una aplicación en particular. Sobre la base de las líneas de contorno, pueden determinar las combinaciones de propiedades de aerogel controlables, es decir, densidad y tamaño de partícula, necesarias para lograr un resultado de turbidez y transmitancia dirigido para muchas aplicaciones.
Aerogel 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 al absorber la radiación y transformarla en calor. Los sistemas termosolares actuales pueden producir energía térmica a las llamadas temperaturas intermedias, entre 120 y 220 grados Celsius, que pueden usarse para calentar agua y locales, produciendo vapor, procesos industriales, etc. De hecho, en 2016, el consumo de energía térmica en los Estados Unidos superó la producción total de electricidad de todas las fuentes renovables.
Sin embargo, los sistemas termosolares avanzados se basan en costosos sistemas ópticos para enfocar la luz solar entrante, superficies especialmente diseñadas para absorber la radiación y retener el calor y recipientes de vacío costosos y difíciles de mantener para evitar que este calor se disipe. # 39; escape. Hasta la fecha, los costos de estos componentes tienen una aceptación limitada del mercado.
Zhao y sus colegas pensaron que usar una capa clara de aerogel podría resolver estos problemas. Colocado encima del absorbedor, podría dejar entrar la radiación solar incidente y evitar que el calor se escape. Entonces, esto esencialmente reproduciría el efecto invernadero natural que causa el calentamiento global, pero en un grado extremo, a pequeña escala y con un resultado positivo.
Para probarlo, los investigadores diseñaron un receptor solar térmico basado en aerogel. El dispositivo consiste en un absorbedor casi de "cuerpo negro" (una delgada lámina de cobre cubierta con pintura negra que absorbe toda la energía radiante que cae sobre él), y encima pila de bloques optimizados de aerogel de sílice de baja difusión, que transmiten eficazmente la luz solar y al mismo tiempo suprimen la pérdida de calor por conducción, convección y radiación. La nanoestructura del aerogel está diseñada para maximizar su transparencia óptica mientras conserva su conductividad térmica ultrabaja. Con el aerogel presente, no hay necesidad de costosas ópticas, superficies o paquetes 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, fijaron el receptor hacia el sur y se inclinaron 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 C) y la presencia de nubes en 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 promover el uso de la energía solar térmica". Ya, él y sus colegas han demostrado que puede convertir el agua en vapor a más de 120 ° C. En colaboración con investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Bombay, ahora están explorando posibles aplicaciones de vapor de proceso en India y están realizando pruebas de campo de un autoclave solar totalmente pasivo de bajo costo para la esterilización de equipos médicos en comunidades rurales.
Windows y mas
Strobach continuó otra aplicación prometedora para aerogel transparente – en ventanas. "Al tratar de hacer aerogeles más transparentes, alcanzamos un régimen en nuestro proceso de fabricación en el que podíamos hacer las cosas más pequeñas, pero eso no resultó en ningún cambio significativo en la transparencia", dijo. "Pero trajo un cambio significativo en la claridad", una característica clave para una ventana.
Según Strobach, la disponibilidad de una ventana con aislamiento térmico asequible tendría varios impactos. Cada invierno en los Estados Unidos, las ventanas pierden suficiente energía para abastecer a más de 50 millones de hogares. Esta energía desperdiciada le cuesta a la economía más de $ 32 mil millones al año y genera alrededor de 350 millones de toneladas de CO2 – más de lo que emiten 76 millones de automóviles. Los consumidores pueden elegir ventanas de triple acristalamiento de alta eficiencia, pero son tan caras que no se usan ampliamente.
Los análisis de Strobach y sus colegas han demostrado que reemplazar la brecha de aire en una ventana de doble acristalamiento convencional con un aerogel podría ser la respuesta. El resultado podría ser una ventana de doble acristalamiento 40% más aislante que las ventanas tradicionales y 85% más aislante que las ventanas de triple acristalamiento actuales, a menos de la mitad del precio. Aún mejor, la tecnología podría adoptarse rápidamente. El obturador de aerogel está diseñado para integrarse en el proceso de fabricación actual de dos niveles que es omnipresente en la industria, por lo que podría fabricarse a bajo costo en las líneas. producción existente con solo cambios menores.
Guiados por el modelo de Zhao, los investigadores continúan mejorando el rendimiento de sus aerogeles, con un enfoque particular en aumentar la claridad mientras se mantiene la transparencia y el aislamiento térmico. Además, están considerando otros sistemas tradicionales de bajo costo que, como las tecnologías solares térmicas y de ventanas, se beneficiarían de deslizarse en un aerogel optimizado para crear una barrera térmica de alto rendimiento que permita la entrada de la luz solar. abundante.
Esta investigación fue financiada por el Programa Optimizado de Conversión y Uso de Espectro Completo de Sunlight de la Agencia de Proyectos de Energía Avanzada del Departamento de Energía de los Estados Unidos; el Centro de Conversión de Energía Solar Térmica de Estado Sólido, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencia, Ciencias de la Energía Básica; y el MIT Tata Center for Technology and Design. Elise Strobach recibió fondos del Programa de Becas para Graduados de la National Science Foundation. Lin Zhao PhD '19 ahora es ingeniero de diseño óptico en 3M en St. Paul, Minnesota.
Este artículo aparece en la edición de otoño de 2019 de Futuros energéticos, la revista de la Iniciativa Energética del MIT.