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Un material recientemente desarrollado que es tan perfectamente transparente que apenas se puede ver que podría desbloquear muchos nuevos usos del calor solar. Genera temperaturas mucho más altas que los colectores solares convencionales, lo suficiente como para ser utilizado para la calefacción del hogar o para procesos industriales que requieren calor por encima de 200 grados Celsius (392 grados Fahrenheit).
El proceso se basa en un nuevo tipo de aerogel, un material liviano compuesto principalmente de aire, con una estructura de sílice (también utilizada para la fabricación de vidrio). El material deja entrar la luz del sol fácilmente pero evita que se escape el calor solar. Los resultados se describen en la revista. ACS Nanoen un artículo de Lin Zhao, un estudiante graduado del MIT; Evelyn Wang, profesora y jefa del departamento de ingeniería mecánica; Gang Chen, profesor Carl Richard Soderberg en Ingeniería Energética; y otros cinco.
Según Wang, la clave para capturar eficazmente el calor solar es mantener algo caliente adentro mientras se mantiene frío afuera. Una forma de hacerlo es utilizar un espacio entre una capa de vidrio y un material oscuro que absorbe el calor, que se usa en muchos concentradores solares, pero su instalación y mantenimiento es relativamente costoso. Ha sido muy interesante encontrar un sistema menos costoso y pasivo para recolectar calor solar a los niveles de temperatura más altos necesarios para la calefacción de espacios, el procesamiento de alimentos o muchos procesos industriales.
Los aerogeles, un tipo de material similar a la espuma hecho de partículas de sílice, se han desarrollado durante años como materiales aislantes altamente eficientes y livianos, pero su transparencia en la luz visible fue generalmente limitada, con una alta tasa de transmisión. alrededor del 70%. Según Wang, desarrollar una forma de crear aerogeles suficientemente transparentes para operar en la captura de calor solar ha sido 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% de la luz del sol mientras mantiene sus propiedades altamente aislantes.
La clave para hacerlo funcionar estaba en los informes precisos de los diferentes materiales utilizados para crear el aerogel, que se hacen mezclando un catalizador con granos de un compuesto que contiene sílice en una solución líquida, formando un tipo de gel, luego se seca para extraer todo el líquido, dejando una matriz compuesta principalmente de aire pero conservando la fuerza de la mezcla inicial. Descubrieron que la producción de una mezcla que se seca mucho más rápido que los aerogeles convencionales produce un gel con espacios de poros más pequeños entre sus granos y, por lo tanto, difunde mucha menos luz.
Al realizar pruebas en un techo ubicado en el campus del MIT, un dispositivo pasivo que consiste en un material negro que absorbe calor y cubierto con una capa de aerogel nuevo pudo alcanzar y mantener una temperatura de 220 ° C, en pleno invierno el aire exterior estaba por debajo de 0 ° C
Estas temperaturas solo eran utilizables anteriormente por sistemas de concentración, con espejos para concentrar la luz solar en una línea o punto central, pero este sistema no requiere concentración, lo que lo hace más simple y menos caro. Esto podría ser útil para una amplia variedad de aplicaciones que requieren niveles de calor más altos.
Por ejemplo, los colectores simples de techo plano a menudo se usan para agua caliente sanitaria, produciendo temperaturas cercanas a los 80 ° C. Sin embargo, las temperaturas más altas permitidas por el sistema de aerogel también podrían hacer que tales sistemas sean fáciles de usar para agua caliente. calefaccionar la casa e incluso alimentar un aire acondicionado. sistema. Las versiones a gran escala podrían usarse para proporcionar calor para una amplia variedad de aplicaciones en procesos químicos, producción de alimentos y procesos de fabricación.
Zhao describe la función básica de la capa de aerogel como "similar al efecto invernadero". El material que utilizamos para aumentar la temperatura actúa, como la atmósfera de la Tierra, como aislante, pero es un ejemplo extremo. "
En la mayoría de los casos, el sistema pasivo de recolección de calor se conectaría a tuberías que contengan líquido circulante para transferir el calor a donde debería estar. Wang también sugiere que para algunos usos, el sistema se puede conectar a tuberías de calor, dispositivos que pueden transferir calor a distancia sin la necesidad de bombas o partes móviles.
El principio es esencialmente el mismo, un colector de calor solar basado en aerogel podría reemplazar directamente los sensores de vacío utilizados en algunas aplicaciones existentes, ofreciendo así una opción menos costosa. Los materiales utilizados para hacer el aerogel son abundantes y económicos. La única parte costosa del proceso es el secado, que requiere un dispositivo especializado llamado secador de puntos para permitir un proceso de secado muy preciso que extrae los solventes del gel mientras preserva su estructura a nanoescala.
Si se trata de un proceso discontinuo y no continuo que se puede utilizar en la fabricación de un rollo al otro, la tasa de producción podría verse limitada si se implementa el sistema. escala para alcanzar niveles de producción industrial. "La clave para escalar es cómo podemos reducir el costo de este proceso", dice Wang. Sin embargo, incluso ahora, un análisis económico preliminar muestra que el sistema puede ser económicamente viable para algunos usos, especialmente en comparación con los sistemas de vacío.
El equipo de investigación incluyó al investigador Bikram Bhatia, al postdoctorado Sungwoo Yang, a la estudiante graduada Elise Strobach, al instructor Lee Weinstein y al postdoctorado Thomas Thomas. El trabajo fue financiado principalmente por el programa ARPA-E del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
