Een nieuw ontwikkeld materiaal dat zo perfect transparant is dat je het nauwelijks kunt zien, zou veel nieuwe toepassingen voor zonnewarmte kunnen ontsluiten. Het genereert veel hogere temperaturen dan conventionele zonnecollectoren - genoeg om te worden gebruikt voor huisverwarming of voor industriële processen die een warmte van meer dan 200 graden Celsius (392 graden Fahrenheit) vereisen.

De sleutel tot het proces is een nieuw soort aerogel, een lichtgewicht materiaal dat voornamelijk uit lucht bestaat, met een structuur gemaakt van silica (dat ook wordt gebruikt om glas te maken). Het materiaal laat zonlicht gemakkelijk door, maar voorkomt dat zonnewarmte ontsnapt. De bevindingen worden beschreven in het tijdschrift ACS Nano , in een paper van Lin Zhao, een MIT-afgestudeerde student; Evelien Wang, hoogleraar en hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde; Bende Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar energietechniek; en vijf anderen.

De sleutel tot efficiënte opvang van zonnewarmte, Wang legt uit, is in staat zijn om iets van binnen warm te houden terwijl het van buiten koud blijft. Een manier om dat te doen is het gebruik van een vacuüm tussen een laag glas en een donkere, warmte-absorberend materiaal, dat is de methode die in veel geconcentreerde zonnecollectoren wordt gebruikt, maar die relatief duur is om te installeren en te onderhouden. Er is grote belangstelling voor het vinden van een goedkopere, passief systeem voor het verzamelen van zonnewarmte op de hogere temperatuurniveaus die nodig zijn voor ruimteverwarming, voedselverwerking, of vele industriële processen.

Aerogels, een soort schuimachtig materiaal gemaakt van silicadeeltjes, zijn al jaren ontwikkeld als zeer efficiënte en lichtgewicht isolatiematerialen, maar ze hebben over het algemeen een beperkte doorzichtigheid gehad voor zichtbaar licht, met een transmissieniveau van ongeveer 70 procent. Wang zegt dat het ontwikkelen van een manier om aerogels te maken die transparant genoeg zijn om te werken voor het verzamelen van zonnewarmte, een lang en moeilijk proces was waarbij verschillende onderzoekers ongeveer vier jaar betrokken waren. Maar het resultaat is een aerogel die meer dan 95 procent van het invallende zonlicht doorlaat met behoud van zijn sterk isolerende eigenschappen.

De sleutel om het te laten werken lag in de precieze verhoudingen van de verschillende materialen die werden gebruikt om de aerogel te maken, die worden gemaakt door een katalysator te mengen met korrels van een silicabevattende verbinding in een vloeibare oplossing, een soort gel vormen, en dan drogen om alle vloeistof eruit te krijgen, waardoor een matrix overblijft die grotendeels uit lucht bestaat, maar de sterkte van het oorspronkelijke mengsel behoudt. Een mengsel produceren dat veel sneller uitdroogt dan die in conventionele aerogels, ze vonden, produceerde een gel met kleinere poriën tussen de korrels, en dat verstrooide daardoor het licht veel minder.

In tests op een dak op de MIT-campus, een passief apparaat bestaande uit een warmteabsorberend donker materiaal bedekt met een laag van de nieuwe aerogel kon een temperatuur van 220 C bereiken en behouden, midden in een winter in Cambridge toen de buitenlucht onder 0 C was.

Dergelijke hoge temperaturen waren voorheen alleen praktisch door gebruik te maken van concentratiesystemen, met spiegels om zonlicht op een centrale lijn of punt te concentreren, maar dit systeem vereist geen concentratie, waardoor het eenvoudiger en goedkoper wordt. Dat zou het mogelijk nuttig kunnen maken voor een breed scala aan toepassingen die hogere niveaus van warmte vereisen.

Bijvoorbeeld, eenvoudige platte dakcollectoren worden vaak gebruikt voor sanitair warm water, temperaturen van ongeveer 80 C produceren. Maar de hogere temperaturen die door het aerogelsysteem mogelijk worden gemaakt, kunnen dergelijke eenvoudige systemen ook bruikbaar maken voor huisverwarming, en zelfs voor het aandrijven van een airconditioningsysteem. Grootschalige versies kunnen worden gebruikt om warmte te leveren voor een breed scala aan toepassingen in de chemische, voedselproductie, en productieprocessen.

Zhao beschrijft de basisfunctie van de aerogellaag als "als een broeikaseffect. Het materiaal dat we gebruiken om de temperatuur te verhogen, werkt zoals de aardatmosfeer dat doet om te zorgen voor isolatie, maar dit is er een extreem voorbeeld van."

Voor de meeste doeleinden, het passieve warmteverzamelsysteem zou worden aangesloten op leidingen met een vloeistof die zou kunnen circuleren om de warmte over te brengen naar waar het nodig is. Alternatief, Wang suggereert, voor sommige toepassingen kan het systeem worden aangesloten op warmteleidingen, apparaten die warmte over een afstand kunnen overbrengen zonder pompen of bewegende delen.

Omdat het principe in wezen hetzelfde is, een op aerogel gebaseerde zonnewarmtecollector zou de op vacuüm gebaseerde collectoren die in sommige bestaande toepassingen worden gebruikt, direct kunnen vervangen, een goedkopere optie bieden. De materialen die worden gebruikt om de aerogel te maken, zijn allemaal overvloedig en goedkoop; het enige kostbare onderdeel van het proces is het drogen, waarvoor een gespecialiseerd apparaat nodig is, een kritische puntdroger genaamd, om een ​​zeer nauwkeurig droogproces mogelijk te maken dat de oplosmiddelen uit de gel haalt met behoud van de nanoschaalstructuur.

Omdat dat een batchproces is in plaats van een continu proces dat zou kunnen worden gebruikt in roll-to-roll-productie, het zou de productiesnelheid kunnen beperken als het systeem wordt opgeschaald naar industriële productieniveaus. "De sleutel tot schaalvergroting is hoe we de kosten van dat proces kunnen verlagen, ", zegt Wang. Maar zelfs nu, een voorlopige economische analyse toont aan dat het systeem voor sommige toepassingen economisch levensvatbaar kan zijn, vooral in vergelijking met op vacuüm gebaseerde systemen.

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.