| El nuevo material aislante de aerogel es altamente transparente y transmite el 95 por ciento de la luz. En esta foto, se utilizan rayos láser paralelos para hacer visible el material. Fotografías cortesía de los investigadores. |
La clave para la recolección eficiente del calor solar, explica Wang, es poder mantener algo caliente internamente mientras se mantiene frío en el exterior. Una forma de hacerlo es utilizando un vacío entre una capa de vidrio y un material oscuro que absorbe la energía solar. Esta configuración se utiliza en muchos colectores solares de concentración, pero su instalación y mantenimiento son relativamente caros. Ha habido un gran interés en encontrar un sistema pasivo menos costoso 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 de aislamiento térmico altamente eficientes y livianos, pero en general han tenido una transparencia limitada a la luz visible, con un nivel de transmisión de alrededor del 70 por ciento. Wang dice que hacer aerogeles que sean lo suficientemente transparentes para trabajar para la recolección de calor solar fue 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 por ciento de la luz solar entrante y mantiene las propiedades altamente aislantes del material.
La clave está en las proporciones precisas de los diferentes productos químicos utilizados para crear el aerogel, el cual se realiza mezclando un catalizador con un compuesto que contiene silicio en una solución líquida, formando una especie de gel húmedo y luego secándolo para remover todo el liquido, dejando una matriz que es principalmente aire pero que retiene la estructura de la mezcla original. Al producir una mezcla que reacciona químicamente mucho más rápidamente que las de los aerogeles convencionales que ellos encontraron, dieron como resultado un gel con espacios de poros más pequeños entre sus granos, y que por lo tanto dispersaron la luz mucho menos.
En las pruebas realizadas en una azotea en el campus del MIT, un dispositivo pasivo que consiste en un material oscuro absorbente del sol cubierto con una capa del nuevo aerogel pudo alcanzar y mantener una temperatura de 220 °C, en medio del invierno de Cambridge, cuando el aire exterior estaba por debajo de 0 °C.
| Un dispositivo de prueba instalado en un techo en MIT demostró la efectividad del nuevo material aislante. Cuando se colocó a la luz del sol, el dispositivo se calentó a 220 °C, aun cuando la temperatura exterior en ese momento era de alrededor de 0 °C. Fotografías cortesía de los investigadores |
Por ejemplo, los colectores planos simples en la azotea a menudo se usan para agua caliente casera, produciendo temperaturas de alrededor de 80 °C. Pero las temperaturas más altas permitidas por el sistema de aerogel también podrían hacer que estos sistemas simples sean utilizables para la calefacción casera. Las versiones a gran escala podrían usarse para proporcionar calor para una amplia variedad de aplicaciones en procesos de fabricación de productos químicos, alimentos y manufacturas.
Zhao describe la función básica de la capa de aerogel como "como un efecto invernadero. "El material que utilizamos para aumentar la temperatura actúa como lo hace la atmósfera de la Tierra para proporcionar aislamiento, pero este es un ejemplo extremo de ello".
Para la mayoría de los propósitos, el sistema de recolección de calor pasivo estaría conectado a tuberías que contienen un líquido que podría circular para transferir el calor a donde sea necesario. Alternativamente, Wang sugiere, para algunos usos, el sistema podría conectarse a tuberías térmicas, dispositivos que pueden transferir calor a una distancia sin necesidad de bombas o partes móviles.
Debido a que el principio es esencialmente el mismo, un colector de calor solar basado en aerogel podría reemplazar directamente los colectores basados en vacío utilizados en algunas aplicaciones existentes, proporcionando una opción de menor costo. Los materiales utilizados para hacer el aerogel son abundantes y baratos; la única parte costosa del proceso es el secado, que requiere un dispositivo especializado llamado secador de punto crítico para permitir un proceso de secado muy preciso que extrae los solventes del gel y preserva su estructura nanoescalar.
Debido a que es un proceso por lotes en lugar de uno continuo que podría usarse en la fabricación rollo a rollo, esto podría limitar la tasa de producción si el sistema se amplia a niveles de producción industrial. "La clave para la ampliación es cómo podemos reducir el costo de ese proceso", dice Wang. Pero incluso ahora, un análisis económico preliminar muestra que el sistema puede ser económicamente viable para algunos usos, especialmente en comparación con los sistemas basados en vacío.
El equipo de investigación incluyó a los científicos de investigación Bikram Bhatia y Sungwoo Yang, los estudiantes graduados Elise Strobach y Lee Weinstein, y el posdoctorado Thomas Cooper. El trabajo fue financiado principalmente por el programa ARPA-E del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Información bibliográfica completa.
"Aprovechar el calor más allá de los 200 grados C de la luz solar no concentrada con aerogeles transparentes no evacuados".
ACS Nano2019
URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02976
Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT)
07 Julio 2019
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