Nieuwe aerogel schroeft prestaties zonnecollectoren op

De bevindingen worden beschreven in het tijdschrift ACS Nano.

De sleutel tot het proces is een nieuw soort aerogel, een lichtgewicht materiaal dat grotendeels uit lucht bestaat, met een structuur gemaakt van silica. Het materiaal laat zonlicht gemakkelijk door, maar blokkeert de zonnewarmte niet.

De sleutel tot een efficiënte verzameling van zonnewarmte, legt hoogleraar Werktuigbouwkunde Evelyn Wang uit, is het vermogen om iets aan de binnenkant warm te houden terwijl het buiten koud blijft. Een manier om dat te doen is het gebruik van een vacuüm tussen een laag glas en een donker, warmte-absorberend materiaal, een methode die al wordt gebruikt in veel zonnecollectoren, maar die relatief duur is.

De schuimachtige aerogels van siliciumdioxidedeeltjes isoleren zeer goed, maar hebben over het algemeen een beperkte transparantie voor zichtbaar licht (ongeveer 70%). Volgens Wang was het een lang en moeilijk proces om een manier te ontwikkelen om aerogels te maken die transparant genoeg zijn voor dit doel. Het resultaat mag er echter zijn: een aerogel die meer dan 95% van het invallende zonlicht doorlaat, terwijl de sterk isolerende eigenschappen behouden blijven.

De crux lag in de precieze verhoudingen van de verschillende grondstoffen. Aerogel wordt gemaakt door een katalysator te mengen met korrels van een silica-bevattende verbinding in een vloeibare oplossing. Zo wordt een soort gel gevormd die moet drogen om alle vloeistof eruit te krijgen. Dan blijft een matrix achter die grotendeels uit lucht bestaat, maar de kracht van het originele mengsel behoudt. De onderzoekers merkten dat een sneldrogend mengsel veel kleinere poriën oplevert tussen de korrels, en dat het licht daardoor veel minder verstrooit.

Op een dak op de MIT-campus testte het team een apparaat dat bestaat uit een warmte-absorberend donker materiaal, afgedekt met een laag van de nieuwe aerogel. Midden in de winter, terwijl het buiten kouder was dan 0 graden was wist het een temperatuur van 220 C te bereiken en vast te houden.

Dergelijke hoge temperaturen waren tot nu toe alleen haalbaar door zonlicht met spiegels of andere systemen te bundelen. Dat dit systeem dat niet nodig heeft, maakt het eenvoudiger en minder duur.

  

Dat brengt een breed scala aan toepassingen binnen bereik die een hoger warmteniveau vereisen.

Zonnecollectoren worden bijvoorbeeld vaak gebruikt voor warm water voor huishoudelijk gebruik, waarbij temperaturen van ongeveer 80 ° C worden geproduceerd. Maar de hogere temperaturen die met aerogel mogelijk zijn, kunnen dergelijke systemen ook geschikt maken voor de verwarming van de woning en zelfs voor het aandrijven van een airconditioning. Grootschalige versies zouden kunnen worden gebruikt om warmte te verschaffen voor een groot aantal toepassingen in de chemische, voedselproductie en productieprocessen.

Omdat het werkingsprincipe hetzelfde is, kan een op aerogel gebaseerde zonnewarmtecollector direct op vacuüm gebaseerde collectoren vervangen.

Duur drogen

De materialen die worden gebruikt om de aerogel te maken zijn allemaal overvloedig aanwezig en goedkoop, zo benadrukt Wang. Het enige dure deel van het proces is het drogen, waarvoor een gespecialiseerd apparaat nodig is dat een zeer nauwkeurig droogproces mogelijk maakt dat de oplosmiddelen uit de gel extraheert terwijl de nanoschaalstructuur behouden blijft.

Omdat het een batchproces is in plaats van een continu proces, kan het de productiesnelheid beperken als het systeem wordt opgeschaald naar industriële productieniveaus. "De sleutel tot opschaling is het verlagen van de kosten van dat proces," zegt Wang.