Aerogeler til solcelleanlæg og vinduer

I de seneste årtier har søgningen efter højtydende termisk isolering til bygninger har fået producenterne til at henvende sig til aerogel. Opfundet i 1930'erne, disse bemærkelsesværdige materialer er gennemsigtige, ultraporøs, lettere end en skumfidus, stærk nok til at understøtte en mursten, og en uovertruffen barriere for varmeflow, hvilket gør dem ideelle til at holde varmen inde på en kold vinterdag og udenfor, når sommertemperaturerne stiger.

Fem år siden, forskere ledet af Evelyn Wang, en professor og leder af Institut for Maskinteknik, og Gang Chen, Carl Richard Soderberg professor i energiteknik, satte sig for at tilføje en ejendom mere til listen. De havde til formål at lave en silica aerogel, der var virkelig gennemsigtig.

"Vi startede med at forsøge at realisere en optisk gennemsigtig, termisk isolerende aerogel til solvarmeanlæg, " siger Wang. Indbygget i en termisk solfanger, en plade aerogel ville tillade solskin at komme uhindret ind, men forhindre varmen i at komme ud igen - et nøgleproblem i nutidens systemer. Og hvis den gennemsigtige aerogel var tilstrækkelig klar, det kunne indarbejdes i vinduer, hvor det ville fungere som en god varmebarriere, men stadig give beboerne mulighed for at se ud.

Da forskerne startede deres arbejde, selv de bedste aerogeler var ikke op til disse opgaver. "Folk havde vidst i årtier, at aerogeler er en god termisk isolator, men de havde ikke været i stand til at gøre dem særlig optisk gennemsigtige, " siger Lin Zhao Ph.D. '19 i maskinteknik. "Så i vores arbejde, vi har forsøgt at forstå præcis, hvorfor de ikke er særlig gennemsigtige, og så hvordan vi kan forbedre deres gennemsigtighed."

Aerogels:muligheder og udfordringer

De bemærkelsesværdige egenskaber af en silica aerogel er resultatet af dens nanoskala struktur. For at visualisere den struktur, tænk på at holde en bunke små, klare partikler i hånden. Forestil dig, at partiklerne rører hinanden og klistrer lidt sammen, efterlader huller mellem dem, der er fyldt med luft. Tilsvarende i en silica aerogel, klar, løst forbundet, nanoskala silicapartikler danner et tredimensionelt fast netværk inden for en overordnet struktur, der for det meste er luft. På grund af al den luft, en silica aerogel har en ekstrem lav densitet - faktisk, en af ​​de laveste tætheder af noget kendt bulkmateriale - men det er solidt og strukturelt stærkt, selvom det er skørt.

Hvis en silica aerogel er lavet af gennemsigtige partikler og luft, hvorfor er det ikke gennemsigtigt? For lyset, der kommer ind, går ikke lige igennem. Den afledes, når den støder på en grænseflade mellem en fast partikel og luften, der omgiver den. Figur 1 illustrerer processen. Når lys kommer ind i aerogelen, noget er absorberet inde i det. Nogle - kaldet direkte transmission - rejser lige igennem. Og nogle bliver omdirigeret undervejs af disse grænseflader. Det kan spredes mange gange og i alle retninger, i sidste ende forlader aerogelen i en vinkel. Hvis det kommer ud af overfladen, hvorigennem det er kommet ind, det kaldes diffus reflektans; hvis den kommer ud fra den anden side, det kaldes diffus transmittans.

For at lave en aerogel til et solvarmesystem, forskerne havde brug for at maksimere den totale transmittans:den direkte plus de diffuse komponenter. Og for at lave en aerogel til et vindue, de havde brug for at maksimere den totale transmittans og samtidig minimere den del af det totale, der er diffust lys. "Minimering af det diffuse lys er kritisk, fordi det vil få vinduet til at se uklart ud, " siger Zhao. "Vores øjne er meget følsomme over for enhver ufuldkommenhed i et gennemsigtigt materiale."

Udvikling af en model

Størrelsen af ​​nanopartiklerne og porerne mellem dem har en direkte indflydelse på skæbnen for lys, der passerer gennem en aerogel. Men at finde ud af, at interaktion ved forsøg og fejl ville kræve syntetisering og karakterisering af for mange prøver til at være praktisk. "Folk har ikke været i stand til systematisk at forstå forholdet mellem strukturen og forestillingen, " siger Zhao. "Så vi var nødt til at udvikle en model, der kunne forbinde de to."

At begynde, Zhao vendte sig mod den strålingstransportligning, som matematisk beskriver hvordan udbredelsen af ​​lys (stråling) gennem et medium påvirkes af absorption og spredning. Det bruges generelt til at beregne overførslen af ​​lys gennem atmosfæren på Jorden og andre planeter. Så vidt Wang ved, det er ikke blevet fuldt ud undersøgt for aerogel-problemet.

Både spredning og absorption kan reducere mængden af ​​lys, der transmitteres gennem en aerogel, og lys kan spredes flere gange. For at tage højde for disse effekter, modellen afkobler de to fænomener og kvantificerer dem hver for sig - og for hver lysbølgelængde.

Baseret på størrelsen af ​​silicapartiklerne og prøvens tæthed (en indikator for det samlede porevolumen), modellen beregner lysintensiteten i et aerogellag ved at bestemme dets absorptions- og spredningsadfærd ved hjælp af forudsigelser fra elektromagnetisk teori. Ved at bruge disse resultater, den beregner, hvor meget af det indkommende lys, der passerer direkte gennem prøven, og hvor meget af det, der spredes undervejs og kommer diffust ud.

Den næste opgave var at validere modellen ved at sammenligne dens teoretiske forudsigelser med eksperimentelle resultater.

Syntetisere aerogeler

Arbejde parallelt, kandidatstuderende Elise Strobach fra maskinteknik havde lært, hvordan man bedst syntetiserer aerogelprøver - både for at guide udviklingen af ​​modellen og i sidste ende for at validere den. I processen, hun frembragte ny indsigt i, hvordan man syntetiserer en aerogel med en bestemt ønsket struktur.

Hendes procedure starter med en almindelig form for silicium kaldet silan, som kemisk reagerer med vand og danner en aerogel. Under den reaktion, der opstår små nukleationssteder, hvor partikler begynder at dannes. Hvor hurtigt de bygger op, bestemmer slutstrukturen. For at kontrollere reaktionen, hun tilføjer en katalysator, ammoniak. Ved omhyggeligt at vælge forholdet mellem ammoniak og silan, hun får silicapartiklerne til at vokse hurtigt i starten og stopper derefter brat med at vokse, når forstadiematerialerne er væk - et middel til at producere partikler, der er små og ensartede. Hun tilføjer også et opløsningsmiddel, methanol, at fortynde blandingen og kontrollere tætheden af ​​kernedannelsesstederne, altså porerne mellem partiklerne.

Reaktionen mellem silanen og vandet danner en gel indeholdende en fast nanostruktur med indvendige porer fyldt med opløsningsmidlet. For at tørre den våde gel, Strobach skal få opløsningsmidlet ud af porerne og erstatte det med luft - uden at knuse den sarte struktur. Hun anbringer aerogelen i trykkammeret på en kritisk punkttørrer og oversvømmer flydende CO ₂ ind i kammeret. Den flydende CO ₂ skyller opløsningsmidlet ud og tager dets plads inde i porerne. Hun hæver derefter langsomt temperaturen og trykket inde i kammeret, indtil den flydende CO ₂ forvandles til sin superkritiske tilstand, hvor væske- og gasfasen ikke længere kan differentieres. Langsomt udluftning af kammeret frigiver CO ₂ og efterlader aerogelen, nu fyldt med luft. Hun udsætter derefter prøven for 24 timers udglødning - en standard varmebehandlingsproces - som en smule reducerer spredning uden at ofre den stærke varmeisolerende adfærd. Selv med de 24 timers udglødning, hendes nye procedure forkorter den nødvendige aerogelsyntesetid fra flere uger til mindre end fire dage.

Validering og brug af modellen

For at validere modellen, Strobach fremstillede prøver med omhyggeligt kontrollerede tykkelser, tætheder, og pore- og partikelstørrelser - som bestemt af småvinklet røntgenspredning - og brugte et standardspektrofotometer til at måle den totale og diffuse transmittans.

Dataene bekræftede, at baseret på målte fysiske egenskaber af en aerogelprøve, modellen kunne beregne total transmittans af lys såvel som et mål for klarhed kaldet haze, defineret som den del af den samlede transmittans, der består af diffust lys.

Øvelsen bekræftede simplificerende antagelser fra Zhao i udviklingen af ​​modellen. Også, det viste, at de strålingsegenskaber er uafhængige af prøvens geometri, så hans model kan simulere lystransport i aerogeler af enhver form. Og det kan ikke kun anvendes på aerogeler, men til alle porøse materialer.

Wang bemærker, hvad hun anser for den vigtigste indsigt fra modellerings- og eksperimentelle resultater:"Samlet set, vi fandt ud af, at nøglen til at opnå høj gennemsigtighed og minimal uklarhed – uden at reducere den termiske isoleringsevne – er at have partikler og porer, der er virkelig små og ensartede i størrelse, " hun siger.

En analyse viser den ændring i adfærd, der kan komme med en lille ændring i partikelstørrelse. Mange applikationer kræver brug af et tykkere stykke gennemsigtig aerogel for bedre at blokere varmeoverførslen. Men stigende tykkelse kan mindske gennemsigtigheden. Så længe partikelstørrelsen er lille, øget tykkelse for at opnå større termisk isolering vil ikke reducere den samlede transmittans eller øge uklarheden væsentligt.

Sammenligning af aerogeler fra MIT og andre steder

Hvor stor forskel gør deres tilgang? "Vores aerogeler er mere gennemsigtige end glas, fordi de ikke reflekterer - de har ikke det blændpunkt, hvor glasset fanger lyset og reflekterer til dig, siger Strobach.

Til Lin, et hovedbidrag af deres arbejde er udviklingen af ​​generelle retningslinjer for materialedesign, som vist i figur 4 i diasshowet ovenfor. Hjælpet af sådan et "designkort, " brugere kan skræddersy en aerogel til en bestemt applikation. Baseret på konturplottene, de kan bestemme kombinationerne af kontrollerbare aerogelegenskaber – nemlig, tæthed og partikelstørrelse - nødvendig for at opnå et målrettet uklarheds- og transmittansresultat til mange applikationer.

Aerogeler i solfangere

Forskerne har allerede demonstreret værdien af ​​deres nye aerogeler til solvarmeenergikonverteringssystemer, som omdanner sollys til termisk energi ved at absorbere stråling og omdanne den til varme. Nuværende solvarmesystemer kan producere termisk energi ved såkaldte mellemtemperaturer - mellem 120 og 220 grader Celsius - som kan bruges til vand og rumopvarmning, dampgenerering, industrielle processer, og mere. Ja, i 2016, Det amerikanske forbrug af termisk energi oversteg den samlede elproduktion fra alle vedvarende kilder.

Imidlertid, avancerede solvarmesystemer er afhængige af dyre optiske systemer til at koncentrere det indkommende sollys, specialdesignede overflader til at absorbere stråling og holde på varmen, og dyre og vanskelige at vedligeholde vakuumkabinetter for at forhindre, at varmen slipper ud. Til dato, omkostningerne ved disse komponenter har begrænset markedsadoption.

Zhao og hans kolleger mente, at brugen af ​​et gennemsigtigt aerogellag kunne løse disse problemer. Placeret over absorberen, det kunne slippe igennem indfaldende solstråling og så forhindre varmen i at slippe ud. Så det ville i det væsentlige kopiere den naturlige drivhuseffekt, der forårsager global opvarmning - men i ekstrem grad, i lille skala, og med et positivt resultat.

For at prøve det, forskerne designet en aerogel-baseret solvarmemodtager. Enheden består af en næsten "blackbody" absorber (en tynd kobberplade belagt med sort maling, der absorberer al strålingsenergi, der falder på den), og over det en stak optimeret, lavt spredning af silica aerogel blokke, som effektivt transmitterer sollys og undertrykker ledning, konvektion, og strålingsvarmetab samtidigt. Aerogelens nanostruktur er skræddersyet til at maksimere dens optiske gennemsigtighed og samtidig bevare dens ultralave termiske ledningsevne. Med aerogelen til stede, der er ikke behov for dyr optik, overflader, eller vakuumkabinetter.

Efter omfattende laboratorietest af enheden, forskerne besluttede at teste det "i marken" - i dette tilfælde, på taget af en MIT-bygning. På en solskinsdag om vinteren, de konfigurerer deres enhed, fiksering af modtageren mod syd og vippet 60 grader fra vandret for at maksimere soleksponering. De overvågede derefter dens ydeevne mellem kl. 11.00 og 13.00. På trods af den kolde omgivende temperatur (mindre end 1 grad C) og tilstedeværelsen af ​​skyer om eftermiddagen, absorberens temperatur begyndte at stige med det samme og stabiliserede sig til sidst over 220 C.

til Zhao, den præstation, der allerede er demonstreret af den kunstige drivhuseffekt, åbner op for, hvad han kalder "en spændende vej til fremme af termisk solenergiudnyttelse." Allerede, han og hans kolleger har demonstreret, at det kan omdanne vand til damp, der er større end 120 C. I samarbejde med forskere ved Indian Institute of Technology Bombay, de udforsker nu mulige procesdampapplikationer i Indien og udfører felttest af en lavpris, fuldstændig passiv solcelleautoklave til sterilisering af medicinsk udstyr i landdistrikter.

Windows og mere

Strobach har forfulgt en anden lovende applikation til den gennemsigtige aerogel - i vinduer. "I forsøget på at lave mere gennemsigtige aerogeler, vi ramte et regime i vores fremstillingsproces, hvor vi kunne gøre tingene mindre, men det resulterede ikke i en væsentlig ændring i gennemsigtigheden, " siger hun. "Men det gjorde en væsentlig ændring i klarheden, "en nøglefunktion til et vindue.

Tilgængeligheden af ​​en overkommelig, termisk isolerende vindue ville have flere påvirkninger, siger Strobach. Hver vinter, vinduer i USA mister nok energi til at drive over 50 millioner hjem. Den spildte energi koster økonomien mere end 32 milliarder dollars om året og genererer omkring 350 millioner tons CO2 ₂ -mere end der udledes af 76 millioner biler. Forbrugere kan vælge højeffektive tre-rude vinduer, men de er så dyre, at de ikke er meget brugt.

Analyser foretaget af Strobach og hendes kolleger viste, at udskiftning af luftspalten i et konventionelt dobbeltvindue med en aerogelrude kunne være svaret. Resultatet kunne blive et dobbeltrude vindue, der er 40 procent mere isolerende end traditionelle og 85 procent så isolerende som nutidens tre-rude vinduer – til under halvdelen af ​​prisen. Endnu bedre, teknologien kunne tages i brug hurtigt. Aerogelruden er designet til at passe ind i den nuværende to-rude fremstillingsproces, der er allestedsnærværende på tværs af industrien, så det kunne fremstilles til lave omkostninger på eksisterende produktionslinjer med kun mindre ændringer.

Vejledt af Zhaos model, forskerne fortsætter med at forbedre ydeevnen af ​​deres aerogeler, med særligt fokus på at øge overskueligheden og samtidig bevare transparens og varmeisolering. Ud over, de overvejer andre traditionelle billige systemer, der – som solvarme- og vinduesteknologierne – ville drage fordel af at glide ind i en optimeret aerogel for at skabe en højtydende varmebarriere, der lukker rigeligt sollys ind.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.