Nas décadas recentes, a busca por isolamento térmico de alto desempenho para edifícios levou os fabricantes a recorrerem aos aerogéis. Inventado na década de 1930, esses materiais notáveis ​​são translúcidos, ultraporoso, mais leve que um marshmallow, forte o suficiente para suportar um tijolo, e uma barreira incomparável ao fluxo de calor, tornando-os ideais para manter o calor dentro de um dia frio de inverno e fora quando as temperaturas de verão sobem.

Cinco anos atrás, pesquisadores liderados por Evelyn Wang, professor e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica, e Gang Chen, o Professor Carl Richard Soderberg em Engenharia de Energia, decidiu adicionar mais uma propriedade a essa lista. O objetivo deles era fazer um aerogel de sílica que fosse realmente transparente.

"Começamos tentando realizar um opticamente transparente, aerogel termicamente isolante para sistemas solares térmicos, "diz Wang. Incorporado em um coletor térmico solar, uma placa de aerogel permitiria que a luz do sol entrasse desimpedida, mas evitaria que o calor voltasse - um problema fundamental nos sistemas atuais. E se o aerogel transparente fosse suficientemente claro, pode ser incorporado em janelas, onde atuaria como uma boa barreira de calor, mas ainda permitiria aos ocupantes ver para fora.

Quando os pesquisadores começaram seu trabalho, mesmo os melhores aerogéis não estavam à altura dessas tarefas. "As pessoas sabiam há décadas que os aerogéis são um bom isolante térmico, mas não foram capazes de torná-los opticamente transparentes, "diz Lin Zhao Ph.D. 19 de engenharia mecânica." Portanto, em nosso trabalho, estamos tentando entender exatamente por que eles não são muito transparentes, e como podemos melhorar sua transparência. "

Aerogéis:oportunidades e desafios

As propriedades notáveis ​​de um aerogel de sílica são o resultado de sua estrutura em nanoescala. Para visualizar essa estrutura, pense em segurar uma pilha de pequenas, partículas claras em sua mão. Imagine que as partículas se tocam e ficam ligeiramente juntas, deixando lacunas entre eles que são preenchidas com ar. De forma similar, em um aerogel de sílica, Claro, vagamente conectado, as partículas de sílica em nanoescala formam uma rede sólida tridimensional dentro de uma estrutura geral composta principalmente de ar. Por causa de todo aquele ar, um aerogel de sílica tem uma densidade extremamente baixa - na verdade, uma das densidades mais baixas de qualquer material a granel conhecido - ainda que seja sólido e estruturalmente forte, embora frágil.

Se um aerogel de sílica é feito de partículas transparentes e ar, porque não é transparente? Porque a luz que entra nem toda passa direto. Ele é desviado sempre que encontra uma interface entre uma partícula sólida e o ar ao seu redor. A Figura 1 ilustra o processo. Quando a luz entra no aerogel, alguns são absorvidos por ele. Alguns - chamados de transmitância direta - viajam direto. E alguns são redirecionados ao longo do caminho por essas interfaces. Pode ser espalhado muitas vezes e em qualquer direção, em última análise, saindo do aerogel em um ângulo. Se sair da superfície pela qual entrou, é chamado de refletância difusa; se sai do outro lado, é chamado de transmitância difusa.

Para fazer um aerogel para um sistema térmico solar, os pesquisadores precisavam maximizar a transmitância total:os componentes diretos mais os difusos. E para fazer um aerogel para uma janela, eles precisavam maximizar a transmitância total e simultaneamente minimizar a fração do total que é luz difusa. "Minimizar a luz difusa é fundamental porque fará com que a janela pareça embaçada, "diz Zhao." Nossos olhos são muito sensíveis a qualquer imperfeição em um material transparente. "

Desenvolvendo um modelo

Os tamanhos das nanopartículas e os poros entre elas têm um impacto direto no destino da luz que passa por um aerogel. Mas descobrir essa interação por tentativa e erro exigiria a síntese e a caracterização de muitas amostras para ser prático. "As pessoas não têm sido capazes de compreender sistematicamente a relação entre a estrutura e o desempenho, "diz Zhao." Então, precisávamos desenvolver um modelo que conectasse os dois. "

Começar, Zhao voltou-se para a equação do transporte radiativo, que descreve matematicamente como a propagação da luz (radiação) através de um meio é afetada pela absorção e espalhamento. Geralmente é usado para calcular a transferência de luz através da atmosfera da Terra e de outros planetas. Pelo que Wang sabe, não foi totalmente explorado para o problema do aerogel.

Tanto o espalhamento quanto a absorção podem reduzir a quantidade de luz transmitida através de um aerogel, e a luz pode ser espalhada várias vezes. Para explicar esses efeitos, o modelo desacopla os dois fenômenos e os quantifica separadamente - e para cada comprimento de onda da luz.

Com base nos tamanhos das partículas de sílica e na densidade da amostra (um indicador do volume total dos poros), o modelo calcula a intensidade da luz dentro de uma camada de aerogel determinando seu comportamento de absorção e espalhamento usando previsões da teoria eletromagnética. Usando esses resultados, ele calcula quanto da luz que entra passa diretamente pela amostra e quanto dela é espalhada ao longo do caminho e sai difusa.

A próxima tarefa era validar o modelo comparando suas previsões teóricas com resultados experimentais.

Sintetizando aerogéis

Trabalhando em paralelo, a estudante de graduação Elise Strobach de engenharia mecânica estava aprendendo a melhor forma de sintetizar amostras de aerogel - tanto para orientar o desenvolvimento do modelo quanto para validá-lo. No processo, ela produziu novos insights sobre como sintetizar um aerogel com uma estrutura desejada específica.

Seu procedimento começa com uma forma comum de silício chamada silano, que reage quimicamente com a água para formar um aerogel. Durante essa reação, minúsculos locais de nucleação ocorrem onde as partículas começam a se formar. A rapidez com que se acumulam determina a estrutura final. Para controlar a reação, ela adiciona um catalisador, amônia. Selecionando cuidadosamente a proporção de amônia para silano, ela faz com que as partículas de sílica cresçam rapidamente no início e depois parem de crescer abruptamente quando os materiais precursores acabam - um meio de produzir partículas que são pequenas e uniformes. Ela também adiciona um solvente, metanol, para diluir a mistura e controlar a densidade dos locais de nucleação, daí os poros entre as partículas.

A reação entre o silano e a água forma um gel contendo uma nanoestrutura sólida com poros internos preenchidos com o solvente. Para secar o gel úmido, O Strobach precisa retirar o solvente dos poros e substituí-lo por ar - sem esmagar a estrutura delicada. Ela coloca o aerogel na câmara de pressão de um secador de ponto crítico e inunda o CO líquido ₂ para a câmara. O CO líquido ₂ elimina o solvente e ocupa o seu lugar dentro dos poros. Ela então aumenta lentamente a temperatura e a pressão dentro da câmara até o CO líquido ₂ transforma-se em seu estado supercrítico, onde as fases líquida e gasosa não podem mais ser diferenciadas. Ventilar lentamente a câmara libera o CO ₂ e deixa o aerogel para trás, agora cheio de ar. Ela então submete a amostra a 24 horas de recozimento - um processo de tratamento térmico padrão - que reduz ligeiramente a dispersão sem sacrificar o forte comportamento de isolamento térmico. Mesmo com as 24 horas de recozimento, seu novo procedimento reduz o tempo necessário de síntese do aerogel de várias semanas para menos de quatro dias.

Validando e usando o modelo

Para validar o modelo, Strobach fabricou amostras com espessuras cuidadosamente controladas, densidades, e tamanhos de poros e partículas - conforme determinado por espalhamento de raios-X de pequeno ângulo - e usado um espectrofotômetro padrão para medir a transmitância total e difusa.

Os dados confirmaram que, com base nas propriedades físicas medidas de uma amostra de aerogel, o modelo pode calcular a transmitância total da luz, bem como uma medida de clareza chamada neblina, definido como a fração da transmitância total que é composta de luz difusa.

O exercício confirmou as suposições simplificadas feitas por Zhao no desenvolvimento do modelo. Também, mostrou que as propriedades radiativas são independentes da geometria da amostra, portanto, seu modelo pode simular o transporte de luz em aerogéis de qualquer formato. E pode ser aplicado não apenas a aerogéis, mas para quaisquer materiais porosos.

Wang observa o que considera o insight mais importante da modelagem e dos resultados experimentais:"No geral, determinamos que a chave para obter alta transparência e névoa mínima - sem reduzir a capacidade de isolamento térmico - é ter partículas e poros realmente pequenos e de tamanho uniforme, " ela diz.

Uma análise demonstra a mudança no comportamento que pode ocorrer com uma pequena mudança no tamanho das partículas. Muitas aplicações requerem o uso de um pedaço mais espesso de aerogel transparente para bloquear melhor a transferência de calor. Mas aumentar a espessura pode diminuir a transparência. Contanto que o tamanho da partícula seja pequeno, aumentar a espessura para obter maior isolamento térmico não diminuirá significativamente a transmitância total ou aumentará a névoa.

Comparando aerogéis do MIT e de outros lugares

Quanta diferença a abordagem deles faz? "Nossos aerogéis são mais transparentes do que o vidro porque eles não refletem - eles não têm aquele ponto brilhante onde o vidro captura a luz e reflete para você, "diz Strobach.

Para Lin, a principal contribuição de seu trabalho é o desenvolvimento de diretrizes gerais para o design de materiais, conforme demonstrado pela Figura 4 na apresentação de slides acima. Auxiliado por tal "mapa de projeto, "os usuários podem personalizar um aerogel para uma aplicação específica. Com base nos gráficos de contorno, eles podem determinar as combinações de propriedades controláveis ​​do aerogel - a saber, densidade e tamanho de partícula - necessários para atingir um resultado de neblina e transmitância direcionado para muitas aplicações.

Aerogéis em coletores solares térmicos

Os pesquisadores já demonstraram o valor de seus novos aerogéis para sistemas de conversão de energia térmica solar, que convertem a luz solar em energia térmica, absorvendo a radiação e transformando-a em calor. Os atuais sistemas solares térmicos podem produzir energia térmica nas chamadas temperaturas intermediárias - entre 120 e 220 graus Celsius - que pode ser usada para água e aquecimento ambiente, geração de vapor, processo industrial, e mais. De fato, em 2016, O consumo de energia térmica dos EUA excedeu a geração total de eletricidade de todas as fontes renováveis.

Contudo, sistemas solares térmicos de última geração contam com caros sistemas ópticos para concentrar a luz solar que entra, superfícies especialmente projetadas para absorver a radiação e reter o calor, e caixas de vácuo caras e difíceis de manter para evitar que o calor escape. A data, os custos desses componentes limitaram a adoção pelo mercado.

Zhao e seus colegas pensaram que o uso de uma camada transparente de aerogel pode resolver esses problemas. Colocado acima do absorvedor, ele poderia deixar passar a radiação solar incidente e então impedir que o calor escapasse. Portanto, seria essencialmente replicar o efeito estufa natural que está causando o aquecimento global, mas em um grau extremo, em pequena escala, e com um resultado positivo.

Para experimentar, os pesquisadores projetaram um receptor térmico solar baseado em aerogel. O dispositivo consiste em um absorvedor quase de "corpo negro" (uma fina folha de cobre revestida com tinta preta que absorve toda a energia radiante que cai sobre ela), e acima dele uma pilha de otimizados, blocos de aerogel de sílica de baixo espalhamento, que transmitem a luz solar de forma eficiente e suprimem a condução, convecção, e perdas de calor por radiação simultaneamente. A nanoestrutura do aerogel é adaptada para maximizar sua transparência óptica enquanto mantém sua condutividade térmica ultrabaixa. Com o aerogel presente, não há necessidade de ótica cara, superfícies, ou caixas de vácuo.

Após extensos testes de laboratório do dispositivo, os pesquisadores decidiram testá-lo "no campo" - neste caso, no telhado de um edifício do MIT. Em um dia ensolarado de inverno, eles configuraram seus dispositivos, fixando o receptor em direção ao sul e inclinado 60 graus da horizontal para maximizar a exposição solar. Em seguida, eles monitoraram seu desempenho entre 11h e 13h. Apesar da temperatura ambiente fria (menos de 1 grau C) e da presença de nuvens à tarde, a temperatura do absorvedor começou a aumentar imediatamente e eventualmente se estabilizou acima de 220 C.

Para Zhao, o desempenho já demonstrado pelo efeito estufa artificial abre o que ele chama de "um caminho estimulante para a promoção da utilização da energia solar térmica". Já, ele e seus colegas demonstraram que pode converter água em vapor superior a 120 C. Em colaboração com pesquisadores do Instituto Indiano de Tecnologia de Bombaim, eles agora estão explorando possíveis aplicações de vapor de processo na Índia e realizando testes de campo de baixo custo, autoclave solar totalmente passiva para esterilizar equipamentos médicos em comunidades rurais.

Windows e mais

Strobach tem buscado outra aplicação promissora para o aerogel transparente - em janelas. "Ao tentar fazer aerogéis mais transparentes, atingimos um regime em nosso processo de fabricação em que poderíamos tornar as coisas menores, mas não resultou em uma mudança significativa na transparência, "ela diz." Mas isso fez uma mudança significativa na clareza, "uma característica chave para uma janela.

A disponibilidade de um acessível, janela com isolamento térmico teria vários impactos, diz Strobach. Todo inverno, as janelas nos Estados Unidos perdem energia suficiente para abastecer mais de 50 milhões de residências. Essa energia desperdiçada custa à economia mais de US $ 32 bilhões por ano e gera cerca de 350 milhões de toneladas de CO ₂ —Mais do que é emitido por 76 milhões de carros. Os consumidores podem escolher janelas de painel triplo de alta eficiência, mas são tão caros que não são amplamente utilizados.

As análises de Strobach e seus colegas mostraram que substituir o vão de ar em uma janela de painel duplo convencional por um painel de aerogel pode ser a resposta. O resultado poderia ser uma janela de painel duplo 40% mais isolante do que as tradicionais e 85% tão isolante quanto as janelas de painel triplo de hoje - por menos da metade do preço. Melhor ainda, a tecnologia poderia ser adotada rapidamente. O painel de aerogel é projetado para se ajustar ao atual processo de fabricação de dois painéis que é onipresente em toda a indústria, portanto, ele poderia ser fabricado a baixo custo nas linhas de produção existentes, com apenas pequenas alterações.

Guiado pelo modelo de Zhao, os pesquisadores continuam a melhorar o desempenho de seus aerogéis, com um foco especial no aumento da clareza, mantendo a transparência e o isolamento térmico. Além disso, eles estão considerando outros sistemas tradicionais de baixo custo que iriam - como o térmico solar e as tecnologias de janela - se beneficiarem do deslizamento em um aerogel otimizado para criar uma barreira de calor de alto desempenho que permite a entrada de luz solar abundante.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.