Få mere varme ud af sollys

Et nyudviklet materiale, der er så perfekt gennemsigtigt, at du knap kan se det, kunne låse op for mange nye anvendelser for solvarme. Det genererer meget højere temperaturer end konventionelle solfangere gør - nok til at blive brugt til opvarmning af hjemmet eller til industrielle processer, der kræver varme på mere end 200 grader Celsius (392 grader Fahrenheit).

Nøglen til processen er en ny slags aerogel, et letvægtsmateriale, der hovedsageligt består af luft, med en struktur lavet af silica (som også bruges til at lave glas). Materialet lader sollys let passere igennem, men blokerer for, at solvarmen slipper ud. Resultaterne er beskrevet i journalen ACS Nano , i et papir af Lin Zhao, en MIT kandidatstuderende; Evelyn Wang, professor og leder af Institut for Maskinteknik; Gang Chen, Carl Richard Soderberg professor i energiteknik; og fem andre.

Nøglen til effektiv opsamling af solvarme, Wang forklarer, er i stand til at holde noget varmt indvendigt, mens det forbliver koldt udvendigt. En måde at gøre det på er at bruge et vakuum mellem et lag glas og en mørk, varmeabsorberende materiale, som er den metode, der bruges i mange koncentrerende solfangere, men er forholdsvis dyr at installere og vedligeholde. Der har været stor interesse for at finde en billigere, passivt system til opsamling af solvarme ved de højere temperaturniveauer, der er nødvendige for rumopvarmning, fødevareforarbejdning, eller mange industrielle processer.

Aerogels, en slags skumlignende materiale lavet af silicapartikler, er blevet udviklet i årevis som yderst effektive og lette isoleringsmaterialer, men de har generelt haft begrænset gennemsigtighed for synligt lys, med omkring 70 procent transmissionsniveau. Wang siger, at udviklingen af ​​en måde at lave aerogeler på, der er gennemsigtige nok til at fungere til solvarmeopsamling, var en lang og vanskelig proces, der involverede flere forskere i omkring fire år. Men resultatet er en aerogel, der slipper igennem over 95 procent af det indkommende sollys, samtidig med at det bevarer sine meget isolerende egenskaber.

Nøglen til at få det til at fungere var i de præcise forhold mellem de forskellige materialer, der blev brugt til at skabe aerogelen, som fremstilles ved at blande en katalysator med korn af en silicaholdig forbindelse i en flydende opløsning, danner en slags gel, og derefter tørre det for at få al væsken ud, efterlader en matrix, der for det meste er luft, men bevarer den oprindelige blandings styrke. At producere en blanding, der tørrer meget hurtigere ud end dem i konventionelle aerogeler, de fandt, produceret en gel med mindre porerum mellem dens korn, og det spredte derfor lyset meget mindre.

I test på et tag på MIT campus, en passiv enhed bestående af et varmeabsorberende mørkt materiale dækket med et lag af den nye aerogel var i stand til at nå og opretholde en temperatur på 220 C, midt i en Cambridge-vinter, hvor udeluften var under 0 C.

Sådanne høje temperaturer har tidligere kun været praktiske ved at bruge koncentreringssystemer, med spejle til at fokusere sollys på en central linje eller et punkt, men dette system kræver ingen koncentration, gør det enklere og billigere. Det kan potentielt gøre det nyttigt til en lang række applikationer, der kræver højere varmeniveauer.

For eksempel, simple flade tagkollektorer bruges ofte til varmt brugsvand, producerer temperaturer på omkring 80 C. Men de højere temperaturer, som aerogel-systemet muliggør, kunne gøre sådanne simple systemer også anvendelige til boligopvarmning, og endda til at drive et klimaanlæg. Storskala versioner kan bruges til at levere varme til en lang række applikationer inden for kemiske, fødevareproduktion, og fremstillingsprocesser.

Zhao beskriver aerogellagets grundlæggende funktion som "som en drivhuseffekt. Materialet, vi bruger til at øge temperaturen, fungerer ligesom Jordens atmosfære for at give isolering, men dette er et ekstremt eksempel på det."

Til de fleste formål, det passive varmeopsamlingssystem ville være forbundet med rør, der indeholder en væske, der kunne cirkulere for at overføre varmen til, hvor det er nødvendigt. Alternativt Wang foreslår, til nogle formål kunne systemet tilsluttes varmerør, enheder, der kan overføre varme over en afstand uden at kræve pumper eller bevægelige dele.

Fordi princippet i det væsentlige er det samme, en aerogel-baseret solvarmefanger kan direkte erstatte de vakuumbaserede solfangere, der bruges i nogle eksisterende applikationer, giver en billigere mulighed. Materialerne, der bruges til at fremstille aerogelen, er alle rigelige og billige; den eneste omkostningsfulde del af processen er tørringen, hvilket kræver en specialiseret enhed kaldet en kritisk punkttørrer for at muliggøre en meget præcis tørreproces, der ekstraherer opløsningsmidlerne fra gelen, samtidig med at dens nanoskalastruktur bevares.

Fordi det er en batch-proces snarere end en kontinuerlig proces, der kunne bruges i rulle-til-rulle-fremstilling, det kan begrænse produktionshastigheden, hvis systemet skaleres op til industrielle produktionsniveauer. "Nøglen til opskalering er, hvordan vi kan reducere omkostningerne ved den proces, " siger Wang. Men selv nu, en foreløbig økonomisk analyse viser, at systemet kan være økonomisk rentabelt til nogle formål, især i sammenligning med vakuumbaserede systemer.

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.