In de afgelopen decennia, de zoektocht naar hoogwaardige thermische isolatie voor gebouwen heeft fabrikanten ertoe aangezet zich tot aerogels te wenden. Uitgevonden in de jaren 30, deze opmerkelijke materialen zijn doorschijnend, ultraporeus, lichter dan een marshmallow, sterk genoeg om een ​​baksteen te dragen, en een ongeëvenaarde barrière voor warmtestroom, waardoor ze ideaal zijn om de warmte binnen te houden op een koude winterdag en buiten wanneer de zomertemperaturen stijgen.

Vijf jaar geleden, onderzoekers onder leiding van Evelyn Wang, hoogleraar en hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde, en Gang Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar energietechniek, uiteengezet om nog een eigenschap aan die lijst toe te voegen. Ze wilden een silica-aerogel maken die echt transparant was.

"We zijn begonnen met het realiseren van een optisch transparante, thermisch isolerende aerogel voor thermische zonnesystemen, ", zegt Wang. Opgenomen in een thermische zonnecollector, een plak aerogel zou zonneschijn ongehinderd binnenlaten, maar voorkomen dat warmte terugkomt - een belangrijk probleem in de systemen van vandaag. En als de transparante aerogel voldoende helder was, het zou in vensters kunnen worden opgenomen, waar het zou fungeren als een goede warmtebarrière, maar de inzittenden toch naar buiten zou laten kijken.

Toen de onderzoekers aan hun werk begonnen, zelfs de beste aerogels waren niet opgewassen tegen die taken. "Mensen wisten al tientallen jaren dat aerogels een goede thermische isolator zijn, maar ze hadden ze niet erg optisch transparant kunnen maken, " zegt Lin Zhao Ph.D. '19 van werktuigbouwkunde. "Dus in ons werk, we hebben geprobeerd precies te begrijpen waarom ze niet erg transparant zijn, en hoe we hun transparantie kunnen verbeteren."

Aerogels:kansen en uitdagingen

De opmerkelijke eigenschappen van een silica-aerogel zijn het resultaat van de structuur op nanoschaal. Om die structuur te visualiseren, denk aan het vasthouden van een stapel kleine, heldere deeltjes in uw hand. Stel je voor dat de deeltjes elkaar raken en een beetje aan elkaar plakken, tussenruimten achterlatend die gevuld zijn met lucht. evenzo, in een silica-aerogel, Doorzichtig, losjes verbonden, silicadeeltjes op nanoschaal vormen een driedimensionaal vast netwerk binnen een algemene structuur die voornamelijk uit lucht bestaat. Door al die lucht, een silica-aerogel heeft een extreem lage dichtheid - in feite een van de laagste dichtheden van alle bekende bulkmaterialen, maar toch solide en structureel sterk, hoewel broos.

Als een silica-aerogel is gemaakt van transparante deeltjes en lucht, waarom is het niet transparant? Want het licht dat binnenkomt, gaat niet allemaal rechtdoor. Het wordt omgeleid wanneer het een grensvlak tussen een vast deeltje en de omringende lucht tegenkomt. Figuur 1 illustreert het proces. Wanneer licht de aerogel binnenkomt, wat wordt erin geabsorbeerd. Sommige, directe transmissie genoemd, reizen rechtdoor. En sommige worden onderweg door die interfaces omgeleid. Het kan vele malen en in elke richting worden verspreid, uiteindelijk de aerogel onder een hoek verlaten. Als het het oppervlak verlaat waardoor het binnenkwam, het wordt diffuse reflectie genoemd; als het van de andere kant komt, het wordt diffuse transmissie genoemd.

Om een ​​aerogel te maken voor een thermisch zonnesysteem, de onderzoekers moesten de totale transmissie maximaliseren:de directe plus de diffuse componenten. En om een ​​aerogel voor een raam te maken, ze moesten de totale transmissie maximaliseren en tegelijkertijd de fractie van het totaal die diffuus licht is, minimaliseren. "Het minimaliseren van het diffuse licht is van cruciaal belang omdat het raam er troebel uitziet, " zegt Zhao. "Onze ogen zijn erg gevoelig voor elke onvolkomenheid in een transparant materiaal."

Een model ontwikkelen

De grootte van de nanodeeltjes en de poriën ertussen hebben een directe invloed op het lot van licht dat door een aerogel gaat. Maar om die interactie met vallen en opstaan ​​​​te ontdekken, zou te veel monsters moeten worden gesynthetiseerd en gekarakteriseerd om praktisch te zijn. "Mensen zijn niet in staat geweest om systematisch de relatie tussen de structuur en de uitvoering te begrijpen, ", zegt Zhao. "Dus moesten we een model ontwikkelen dat de twee zou verbinden."

Beginnen, Zhao wendde zich tot de stralingstransportvergelijking, die wiskundig beschrijft hoe de voortplanting van licht (straling) door een medium wordt beïnvloed door absorptie en verstrooiing. Het wordt over het algemeen gebruikt voor het berekenen van de overdracht van licht door de atmosferen van de aarde en andere planeten. Voor zover Wang weet, het is niet volledig onderzocht voor het aerogelprobleem.

Zowel verstrooiing als absorptie kunnen de hoeveelheid licht die door een aerogel wordt doorgelaten verminderen, en licht kan meerdere keren worden verstrooid. Om rekening te houden met die effecten, het model ontkoppelt de twee verschijnselen en kwantificeert ze afzonderlijk - en voor elke golflengte van licht.

Op basis van de grootte van de silicadeeltjes en de dichtheid van het monster (een indicator van het totale porievolume), het model berekent de lichtintensiteit binnen een aerogellaag door het absorptie- en verstrooiingsgedrag te bepalen met behulp van voorspellingen uit de elektromagnetische theorie. Met behulp van die resultaten, het berekent hoeveel van het binnenkomende licht direct door het monster gaat en hoeveel ervan langs de weg wordt verstrooid en diffuus naar buiten komt.

De volgende taak was om het model te valideren door de theoretische voorspellingen te vergelijken met experimentele resultaten.

Aerogels synthetiseren

Parallel werken, afgestudeerde studente Elise Strobach van werktuigbouwkunde had geleerd hoe aerogelmonsters het beste konden worden gesynthetiseerd - zowel om de ontwikkeling van het model te begeleiden als uiteindelijk om het te valideren. In het proces, ze produceerde nieuwe inzichten over het synthetiseren van een aerogel met een specifieke gewenste structuur.

Haar procedure begint met een veel voorkomende vorm van silicium, silaan genaamd, die chemisch reageert met water om een ​​aerogel te vormen. Tijdens die reactie kleine nucleatieplaatsen komen voor waar deeltjes beginnen te vormen. Hoe snel ze opbouwen bepaalt de eindstructuur. Om de reactie te beheersen, ze voegt een katalysator toe, ammoniak. Door de ammoniak-silaanverhouding zorgvuldig te selecteren, ze zorgt ervoor dat de silicadeeltjes eerst snel groeien en stopt dan abrupt met groeien wanneer de voorlopermaterialen op zijn - een manier om deeltjes te produceren die klein en uniform zijn. Ze voegt ook een oplosmiddel toe, methanol, om het mengsel te verdunnen en de dichtheid van de kiemplaatsen te regelen, dus de poriën tussen de deeltjes.

De reactie tussen het silaan en water vormt een gel die een vaste nanostructuur bevat met inwendige poriën gevuld met het oplosmiddel. Om de natte gel te drogen, Strobach moet het oplosmiddel uit de poriën halen en vervangen door lucht - zonder de delicate structuur te verpletteren. Ze stopt de aerogel in de drukkamer van een kritische puntdroger en laat vloeibare CO . overstromen ₂ de kamer in. De vloeibare CO ₂ spoelt het oplosmiddel weg en neemt zijn plaats in de poriën in. Vervolgens verhoogt ze langzaam de temperatuur en druk in de kamer totdat de vloeibare CO ₂ transformeert naar zijn superkritische toestand, waar de vloeistof- en gasfase niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. Door de kamer langzaam te ontluchten komt de CO . vrij ₂ en laat de aerogel achter, nu gevuld met lucht. Ze onderwerpt het monster vervolgens aan 24 uur gloeien - een standaard warmtebehandelingsproces - dat de verstrooiing enigszins vermindert zonder het sterke thermische isolatiegedrag op te offeren. Zelfs met de 24 uur gloeien, haar nieuwe procedure verkort de vereiste aerogelsynthesetijd van enkele weken tot minder dan vier dagen.

Het model valideren en gebruiken

Om het model te valideren, Strobach vervaardigde monsters met zorgvuldig gecontroleerde diktes, dichtheden, en porie- en deeltjesgroottes - zoals bepaald door röntgenverstrooiing met een kleine hoek - en een standaard spectrofotometer gebruikt om de totale en diffuse transmissie te meten.

De gegevens bevestigden dat, gebaseerd op gemeten fysieke eigenschappen van een aerogelmonster, het model kon de totale lichtdoorlatendheid berekenen, evenals een mate van helderheid die waas wordt genoemd, gedefinieerd als de fractie van de totale transmissie die bestaat uit diffuus licht.

De oefening bevestigde de vereenvoudiging van de aannames die Zhao had gemaakt bij het ontwikkelen van het model. Ook, het toonde aan dat de stralingseigenschappen onafhankelijk zijn van de geometrie van het monster, dus zijn model kan lichttransport simuleren in aerogels van elke vorm. En het kan niet alleen worden toegepast op aerogels, maar op alle poreuze materialen.

Wang merkt op wat zij beschouwt als het belangrijkste inzicht uit de modellerings- en experimentele resultaten:"Al met al, we hebben vastgesteld dat de sleutel tot het verkrijgen van een hoge transparantie en minimale waas - zonder het thermisch isolerend vermogen te verminderen - deeltjes en poriën is die echt klein en uniform van grootte zijn, " ze zegt.

Eén analyse toont de gedragsverandering aan die gepaard kan gaan met een kleine verandering in deeltjesgrootte. Veel toepassingen vragen om het gebruik van een dikker stuk transparante aerogel om de warmteoverdracht beter te blokkeren. Maar toenemende dikte kan de transparantie verminderen. Zolang de deeltjesgrootte klein is, toenemende dikte om een ​​grotere thermische isolatie te bereiken zal de totale transmissie niet significant verminderen of de waas vergroten.

Aerogels van MIT en elders vergelijken

Hoeveel verschil maakt hun aanpak? "Onze aerogels zijn transparanter dan glas omdat ze niet reflecteren - ze hebben niet die verblindende plek waar het glas het licht opvangt en naar jou reflecteert, ’ zegt Strobach.

aan Lin, een belangrijke bijdrage van hun werk is de ontwikkeling van algemene richtlijnen voor materiaalontwerp, zoals blijkt uit figuur 4 in de diavoorstelling hierboven. Geholpen door zo'n "ontwerpkaart, " gebruikers kunnen een aerogel op maat maken voor een bepaalde toepassing. Op basis van de contourplots, ze kunnen de combinaties van controleerbare aerogeleigenschappen bepalen, namelijk dichtheid en deeltjesgrootte - nodig om een ​​gerichte waas- en transmissie-uitkomst voor veel toepassingen te bereiken.

Aerogels in thermische zonnecollectoren

De onderzoekers hebben de waarde van hun nieuwe aerogels al aangetoond voor systemen voor het omzetten van thermische zonne-energie, die zonlicht omzetten in thermische energie door straling te absorberen en om te zetten in warmte. De huidige thermische zonnesystemen kunnen thermische energie produceren bij zogenaamde tussentemperaturen - tussen 120 en 220 graden Celsius - die kan worden gebruikt voor water- en ruimteverwarming, stoomopwekking, industriële processen, en meer. Inderdaad, in 2016, Het Amerikaanse verbruik van thermische energie overtrof de totale elektriciteitsopwekking uit alle hernieuwbare bronnen.

Echter, ultramoderne thermische zonnesystemen vertrouwen op dure optische systemen om het binnenkomende zonlicht te concentreren, speciaal ontworpen oppervlakken om straling te absorberen en warmte vast te houden, en dure en moeilijk te onderhouden vacuümbehuizingen om te voorkomen dat die warmte ontsnapt. Daten, de kosten van die componenten hebben een beperkte marktacceptatie.

Zhao en zijn collega's dachten dat het gebruik van een transparante aerogellaag die problemen zou kunnen oplossen. Geplaatst boven de absorber, het kan invallende zonnestraling doorlaten en vervolgens voorkomen dat de warmte ontsnapt. Het zou dus in wezen het natuurlijke broeikaseffect nabootsen dat de opwarming van de aarde veroorzaakt, maar in extreme mate, op kleine schaal, en met een positief resultaat.

Om het uit te proberen, de onderzoekers ontwierpen een op aerogel gebaseerde thermische zonne-ontvanger. Het apparaat bestaat uit een bijna "blackbody" -absorber (een dunne koperen plaat bedekt met zwarte verf die alle stralingsenergie absorbeert die erop valt), en daarboven een stapel geoptimaliseerde, laagverstrooiende silica-aerogelblokken, die efficiënt zonlicht overbrengen en geleiding onderdrukken, convectie, en stralingswarmteverliezen tegelijk. De nanostructuur van de aerogel is op maat gemaakt om de optische transparantie te maximaliseren met behoud van de ultralage thermische geleidbaarheid. Met de aerogel aanwezig, er is geen noodzaak voor dure optica, oppervlakken, of vacuümbehuizingen.

Na uitgebreide laboratoriumtests van het apparaat, de onderzoekers besloten om het "in het veld" te testen - in dit geval op het dak van een MIT-gebouw. Op een zonnige dag in de winter, ze stellen hun apparaat in, de ontvanger naar het zuiden gericht en 60 graden gekanteld ten opzichte van horizontaal om de blootstelling aan de zon te maximaliseren. Vervolgens controleerden ze de prestaties tussen 11.00 en 13.00 uur. Ondanks de koude omgevingstemperatuur (minder dan 1 graad C) en de aanwezigheid van wolken in de middag, de temperatuur van de absorber begon meteen te stijgen en stabiliseerde zich uiteindelijk boven 220 C.

naar Zhao, de prestatie die al is aangetoond door het kunstmatige broeikaseffect opent wat hij noemt "een opwindende weg naar de bevordering van het gebruik van thermische zonne-energie". Nu al, hij en zijn collega's hebben aangetoond dat het water kan omzetten in stoom van meer dan 120 C. In samenwerking met onderzoekers van het Indian Institute of Technology Bombay, ze onderzoeken nu mogelijke processtoomtoepassingen in India en voeren veldtesten uit van een goedkope, volledig passieve zonne-autoclaaf voor het steriliseren van medische apparatuur in landelijke gemeenschappen.

Windows en meer

Strobach streeft naar een andere veelbelovende toepassing voor de transparante aerogel-in-vensters. "Bij het proberen om transparantere aerogels te maken, we raakten een regime in ons fabricageproces waar we dingen kleiner konden maken, maar het resulteerde niet in een significante verandering in de transparantie, " zegt ze. "Maar het heeft wel een significante verandering gebracht in de duidelijkheid, " een belangrijk kenmerk voor een raam.

De beschikbaarheid van een betaalbare, thermisch isolerend raam zou verschillende effecten hebben, zegt Strobach. Elke winter, ramen in de Verenigde Staten verliezen genoeg energie om meer dan 50 miljoen huishoudens van stroom te voorzien. Die verspilde energie kost de economie meer dan $ 32 miljard per jaar en genereert ongeveer 350 miljoen ton CO ₂ — meer dan 76 miljoen auto's uitstoten. Consumenten kunnen kiezen voor zeer efficiënte driedubbele ruiten, maar ze zijn zo duur dat ze niet veel worden gebruikt.

Analyses door Strobach en haar collega's toonden aan dat het vervangen van de luchtspleet in een conventionele dubbele beglazing door een aerogelruit de oplossing zou kunnen zijn. Het resultaat zou een raam met dubbele beglazing kunnen zijn dat 40 procent meer isolerend is dan traditionele ramen en 85 procent zo isolerend als de huidige driedubbele ramen, voor minder dan de helft van de prijs. Nog steeds beter, de technologie kan snel worden toegepast. De aerogelruit is ontworpen om te passen in het huidige fabricageproces met twee ruiten dat alomtegenwoordig is in de industrie, zodat het met slechts kleine wijzigingen tegen lage kosten op bestaande productielijnen kon worden vervaardigd.

Geleid door het model van Zhao, de onderzoekers blijven de prestaties van hun aerogels verbeteren, met een speciale focus op het vergroten van de duidelijkheid met behoud van transparantie en thermische isolatie. In aanvulling, ze overwegen andere traditionele goedkope systemen die - zoals de zonnewarmte- en raamtechnologieën - zouden profiteren van het schuiven in een geoptimaliseerde aerogel om een ​​hoogwaardige warmtebarrière te creëren die overvloedig zonlicht binnenlaat.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.