Figure 1 :Une partie de la lumière incidente est absorbée dans l'aérogel ou passe directement à travers et émerge de l'autre côté - étiquetée ci-dessus comme « transmission directe ». Le reste peut être redirigé à chaque fois qu'il rencontre une interface particule-pore, ce qui signifie qu'il peut être dispersé plusieurs fois dans plusieurs directions avant qu'il n'émerge en tant que « réflectance diffuse » ou « transmission diffuse », ” selon la surface à partir de laquelle la lumière sort de l'aérogel. Crédit :Lin Zhao
Au cours des dernières décennies, la recherche d'une isolation thermique performante pour les bâtiments a poussé les industriels à se tourner vers les aérogels. Inventé dans les années 30, ces matériaux remarquables sont translucides, ultraporeux, plus léger qu'une guimauve, assez solide pour supporter une brique, et une barrière inégalée au flux de chaleur, ce qui les rend idéales pour garder la chaleur à l'intérieur par une froide journée d'hiver et à l'extérieur lorsque les températures estivales montent en flèche.
Il y a cinq ans, chercheurs dirigés par Evelyn Wang, professeur et chef du Département de génie mécanique, et Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg en ingénierie énergétique, a décidé d'ajouter une propriété de plus à cette liste. Ils visaient à fabriquer un aérogel de silice vraiment transparent.
"Nous avons commencé par essayer de réaliser une transparence optique, aérogel thermiquement isolant pour systèmes solaires thermiques, " dit Wang. Incorporé dans un capteur solaire thermique, une plaque d'aérogel permettrait au soleil d'entrer sans entrave mais empêcherait la chaleur de revenir, un problème clé dans les systèmes d'aujourd'hui. Et si l'aérogel transparent était suffisamment clair, il pourrait être incorporé dans des fenêtres, où il agirait comme une bonne barrière thermique tout en permettant aux occupants de voir à l'extérieur.
Lorsque les chercheurs ont commencé leurs travaux, même les meilleurs aérogels n'étaient pas à la hauteur de ces tâches. "Les gens savaient depuis des décennies que les aérogels sont un bon isolant thermique, mais ils n'avaient pas réussi à les rendre très optiquement transparents, " dit Lin Zhao Ph.D. '19 en génie mécanique. " Donc, dans notre travail, nous avons essayé de comprendre exactement pourquoi ils ne sont pas très transparents, et ensuite comment nous pouvons améliorer leur transparence."
Aérogels :opportunités et défis
Les propriétés remarquables d'un aérogel de silice sont le résultat de sa structure nanométrique. Pour visualiser cette structure, pensez à tenir un tas de petits, particules claires dans votre main. Imaginez que les particules se touchent et se collent légèrement, laissant des espaces entre eux qui sont remplis d'air. De la même manière, dans un aérogel de silice, dégager, faiblement connecté, les particules de silice à l'échelle nanométrique forment un réseau solide tridimensionnel au sein d'une structure globale composée principalement d'air. A cause de tout cet air, un aérogel de silice a une densité extrêmement faible - en fait, l'une des densités les plus faibles de tous les matériaux en vrac connus, mais il est solide et structurellement solide, bien que cassant.
Figure 2 :Ces figures montrent la transmittance totale (en haut) et la brume (en bas) dans les échantillons d'aérogel à mesure que l'épaisseur de l'échantillon augmente. (La densité dans tous les échantillons est de 200 kilogrammes par mètre cube.) Les courbes montrent les résultats en supposant des nanoparticules avec un rayon de particule moyen de 3 nanomètres (noir), 6 nm (rouge), et 9 nm (bleu). Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Si un aérogel de silice est composé de particules transparentes et d'air, pourquoi n'est-il pas transparent ? Parce que la lumière qui entre ne passe pas tout droit. Il est dévié dès qu'il rencontre une interface entre une particule solide et l'air qui l'entoure. La figure 1 illustre le processus. Lorsque la lumière pénètre dans l'aérogel, une partie est absorbée à l'intérieur. Certains, appelés transmission directe, passent directement. Et certains sont redirigés en cours de route par ces interfaces. Il peut être dispersé plusieurs fois et dans n'importe quelle direction, sortant finalement de l'aérogel sous un angle. S'il sort de la surface par laquelle il est entré, on l'appelle réflectance diffuse; s'il sort de l'autre côté, c'est ce qu'on appelle la transmission diffuse.
Pour fabriquer un aérogel pour un système solaire thermique, les chercheurs avaient besoin de maximiser la transmittance totale :les composantes directes et diffuses. Et pour faire un aérogel pour une fenêtre, ils devaient maximiser la transmittance totale et minimiser simultanément la fraction du total qui est la lumière diffuse. "Il est essentiel de minimiser la lumière diffuse car cela rendra la fenêtre trouble, " dit Zhao. " Nos yeux sont très sensibles à toute imperfection dans un matériau transparent. "
Développer un modèle
Les tailles des nanoparticules et des pores entre elles ont un impact direct sur le devenir de la lumière traversant un aérogel. Mais déterminer cette interaction par essais et erreurs nécessiterait de synthétiser et de caractériser trop d'échantillons pour être pratique. "Les gens n'ont pas été en mesure de comprendre systématiquement la relation entre la structure et la performance, " dit Zhao. " Nous devions donc développer un modèle qui relierait les deux. "
Pour commencer, Zhao s'est tourné vers l'équation du transport radiatif, qui décrit mathématiquement comment la propagation de la lumière (rayonnement) à travers un milieu est affectée par l'absorption et la diffusion. Il est généralement utilisé pour calculer le transfert de lumière à travers les atmosphères de la Terre et d'autres planètes. Pour autant que Wang sache, il n'a pas été entièrement exploré pour le problème de l'aérogel.
La diffusion et l'absorption peuvent réduire la quantité de lumière transmise à travers un aérogel, et la lumière peut être diffusée plusieurs fois. Pour tenir compte de ces effets, le modèle découple les deux phénomènes et les quantifie séparément et pour chaque longueur d'onde de la lumière.
Figure 3 :Les points de données montrent la transmittance totale et la brume de trois échantillons MIT et neuf aérogels de silice de pointe. Un aérogel qui est 100 pour cent transparent avec 0 pour cent de brume tomberait dans le coin inférieur droit de ce graphique. Les échantillons du MIT font mieux - même par rapport au verre simple, qui est représenté par la barre verte. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
En fonction de la taille des particules de silice et de la densité de l'échantillon (un indicateur du volume poreux total), le modèle calcule l'intensité lumineuse dans une couche d'aérogel en déterminant son comportement d'absorption et de diffusion à l'aide des prédictions de la théorie électromagnétique. En utilisant ces résultats, il calcule la quantité de lumière entrante qui passe directement à travers l'échantillon et la quantité qui est diffusée en cours de route et sort diffuse.
La tâche suivante consistait à valider le modèle en comparant ses prédictions théoriques aux résultats expérimentaux.
Aérogels de synthèse
Travaillant en parallèle, Elise Strobach, étudiante diplômée en génie mécanique, avait appris comment synthétiser au mieux des échantillons d'aérogel, à la fois pour guider le développement du modèle et, finalement, pour le valider. Dans le processus, elle a produit de nouvelles idées sur la façon de synthétiser un aérogel avec une structure souhaitée spécifique.
Sa procédure commence avec une forme courante de silicium appelée silane, qui réagit chimiquement avec l'eau pour former un aérogel. Au cours de cette réaction, de minuscules sites de nucléation se produisent là où les particules commencent à se former. La vitesse à laquelle ils s'accumulent détermine la structure finale. Pour contrôler la réaction, elle ajoute un catalyseur, ammoniac. En sélectionnant soigneusement le rapport ammoniac/silane, elle fait d'abord croître rapidement les particules de silice, puis s'arrête brusquement de croître lorsque les matériaux précurseurs ont disparu, un moyen de produire des particules petites et uniformes. Elle ajoute également un solvant, méthanol, pour diluer le mélange et contrôler la densité des sites de nucléation, ainsi les pores entre les particules.
La réaction entre le silane et l'eau forme un gel contenant une nanostructure solide avec des pores intérieurs remplis du solvant. Pour sécher le gel humide, Strobach doit extraire le solvant des pores et le remplacer par de l'air, sans écraser la structure délicate. Elle met l'aérogel dans la chambre de pression d'un séchoir à point critique et inonde de CO liquide
Figure 4 :Performances en fonction du rayon moyen et de la densité des particules. Ces figures montrent la transmittance totale (en haut) et le voile (en bas) en fonction du rayon moyen des particules et de la densité de l'aérogel. Les tracés de contour montrent la taille et la densité des particules - deux propriétés contrôlables - qui sont nécessaires pour obtenir une transmittance et un voile ciblés. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Validation et utilisation du modèle
Pour valider le modèle, Strobach a fabriqué des échantillons avec des épaisseurs soigneusement contrôlées, densités, et les tailles des pores et des particules - telles que déterminées par la diffusion des rayons X aux petits angles - et ont utilisé un spectrophotomètre standard pour mesurer la transmittance totale et diffuse.
Les données ont confirmé que, sur la base des propriétés physiques mesurées d'un échantillon d'aérogel, le modèle pourrait calculer la transmittance totale de la lumière ainsi qu'une mesure de clarté appelée brume, définie comme la fraction de la transmittance totale constituée de lumière diffuse.
L'exercice a confirmé les hypothèses simplificatrices formulées par Zhao lors de l'élaboration du modèle. Aussi, il a montré que les propriétés radiatives sont indépendantes de la géométrie de l'échantillon, son modèle peut donc simuler le transport de la lumière dans des aérogels de n'importe quelle forme. Et il peut être appliqué non seulement aux aérogels, mais à tous les matériaux poreux.
Wang note ce qu'elle considère comme l'information la plus importante à partir des résultats de modélisation et d'expérimentation :« Dans l'ensemble, nous avons déterminé que la clé pour obtenir une transparence élevée et un voile minimal - sans réduire la capacité d'isolation thermique - est d'avoir des particules et des pores qui sont vraiment petits et de taille uniforme, " elle dit.
Une analyse démontre le changement de comportement qui peut venir avec un petit changement dans la taille des particules. De nombreuses applications nécessitent l'utilisation d'un morceau d'aérogel transparent plus épais pour mieux bloquer le transfert de chaleur. Mais augmenter l'épaisseur peut diminuer la transparence. Tant que la taille des particules est petite, l'augmentation de l'épaisseur pour obtenir une meilleure isolation thermique ne diminuera pas de manière significative la transmittance totale ou n'augmentera pas le voile.
Figure 5 :Pour tester la viabilité d'un récepteur thermique solaire amélioré par aérogel, les chercheurs ont conçu et construit l'appareil illustré ci-dessus. Ils ont commencé avec un absorbeur de corps noir conventionnel, qui absorbe le rayonnement et le transforme en chaleur. Au-dessus de l'absorbeur, ils ont placé une pile de blocs d'aérogel de silice, optimisé pour laisser entrer la lumière du soleil et empêcher la chaleur de s'échapper. Le résultat était un faible coût, système solaire thermique haute performance. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Comparaison des aérogels du MIT et d'ailleurs
Quelle différence leur approche fait-elle ? "Nos aérogels sont plus transparents que le verre car ils ne réfléchissent pas - ils n'ont pas ce point d'éblouissement où le verre capte la lumière et vous réfléchit, " dit Strobach.
À Lin, une contribution principale de leur travail est le développement de directives générales pour la conception de matériaux, comme le montre la figure 4 du diaporama ci-dessus. A l'aide d'une telle « carte de conception, " les utilisateurs peuvent adapter un aérogel pour une application particulière. Sur la base des tracés de contour, ils peuvent déterminer les combinaisons de propriétés d'aérogel contrôlables, à savoir, densité et taille des particules - nécessaires pour obtenir un résultat de trouble et de transmittance ciblé pour de nombreuses applications.
Aérogels dans les capteurs solaires thermiques
Les chercheurs ont déjà démontré l'intérêt de leurs nouveaux aérogels pour les systèmes de conversion d'énergie solaire thermique, qui convertissent la lumière du soleil en énergie thermique en absorbant le rayonnement et en le transformant en chaleur. Les systèmes solaires thermiques actuels peuvent produire de l'énergie thermique à des températures dites intermédiaires - entre 120 et 220 degrés Celsius - qui peut être utilisée pour le chauffage de l'eau et des locaux, génération de vapeur, processus industriels, et plus. En effet, en 2016, La consommation américaine d'énergie thermique a dépassé la production totale d'électricité à partir de toutes les sources renouvelables.
Cependant, les systèmes solaires thermiques à la pointe de la technologie reposent sur des systèmes optiques coûteux pour concentrer la lumière solaire entrante, surfaces spécialement conçues pour absorber le rayonnement et retenir la chaleur, et des enceintes sous vide coûteuses et difficiles à entretenir pour empêcher cette chaleur de s'échapper. À ce jour, les coûts de ces composants ont limité l'adoption par le marché.
Figure 6 :Ces courbes montrent la température atteinte par le récepteur d'aérogel des chercheurs sous la lumière naturelle du soleil un jour d'hiver entre 11h et 13h. L'expérience a confirmé que le système d'aérogel simple pouvait bien fonctionner - sans optique coûteuse, absorbeurs solaires, ou des enceintes sous vide. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Zhao et ses collègues pensaient que l'utilisation d'une couche d'aérogel transparente pourrait résoudre ces problèmes. Placé au dessus de l'absorbeur, il pourrait laisser passer le rayonnement solaire incident et empêcher ainsi la chaleur de s'échapper. Cela reproduirait donc essentiellement l'effet de serre naturel qui cause le réchauffement climatique, mais à un degré extrême, à petite échelle, et avec un résultat positif.
Pour l'essayer, les chercheurs ont conçu un récepteur thermique solaire à base d'aérogel. L'appareil se compose d'un absorbeur presque "noir" (une fine feuille de cuivre recouverte de peinture noire qui absorbe toute l'énergie rayonnante qui lui tombe dessus), et au-dessus d'elle une pile d'optimisés, blocs d'aérogel de silice à faible diffusion, qui transmettent efficacement la lumière du soleil et suppriment la conduction, convection, et les pertes de chaleur par rayonnement simultanément. La nanostructure de l'aérogel est conçue pour maximiser sa transparence optique tout en maintenant sa conductivité thermique ultra-faible. Avec l'aérogel présent, il n'y a pas besoin d'optiques coûteuses, superficies, ou des enceintes sous vide.
Après des tests approfondis en laboratoire de l'appareil, les chercheurs ont décidé de le tester "sur le terrain" - dans ce cas, sur le toit d'un immeuble du MIT. Par une journée ensoleillée en hiver, ils installent leur appareil, fixant le récepteur vers le sud et incliné à 60 degrés par rapport à l'horizontale pour maximiser l'exposition solaire. Ils ont ensuite suivi ses performances entre 11h et 13h. Malgré la température ambiante froide (inférieure à 1 degré C) et la présence de nuages l'après-midi, la température de l'absorbeur a commencé à augmenter tout de suite et s'est finalement stabilisée au-dessus de 220 C.
A Zhao, les performances déjà démontrées par l'effet de serre artificiel ouvrent ce qu'il appelle "une voie passionnante vers la promotion de l'utilisation de l'énergie solaire thermique". Déjà, lui et ses collègues ont démontré qu'il peut convertir l'eau en vapeur supérieure à 120 °C. En collaboration avec des chercheurs de l'Indian Institute of Technology de Bombay, ils explorent maintenant les applications possibles de la vapeur de procédé en Inde et effectuent des tests sur le terrain d'un faible coût, autoclave solaire complètement passif pour la stérilisation du matériel médical dans les communautés rurales.
Windows et plus
Strobach a poursuivi une autre application prometteuse pour l'aérogel transparent—dans les fenêtres. "En essayant de fabriquer des aérogels plus transparents, nous avons atteint un régime dans notre processus de fabrication où nous pourrions rendre les choses plus petites, mais cela n'a pas entraîné de changement significatif dans la transparence, " dit-elle. " Mais cela a fait un changement significatif dans la clarté, " une caractéristique clé pour une fenêtre.
Un disque d'aérogel terminé est soigneusement retiré du récipient sous pression, ses pores intérieurs maintenant remplis d'air. Le disque est presque invisible au-dessus du treillis métallique qui le supporte. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
La disponibilité d'un prix abordable, fenêtre thermiquement isolante aurait plusieurs impacts, dit Strobach. Chaque hiver, aux États-Unis, les fenêtres perdent suffisamment d'énergie pour alimenter plus de 50 millions de foyers. Cette énergie gaspillée coûte à l'économie plus de 32 milliards de dollars par an et génère environ 350 millions de tonnes de CO
Les analyses de Strobach et de ses collègues ont montré que le remplacement de l'entrefer dans une fenêtre à double vitrage conventionnelle par un vitrage en aérogel pourrait être la réponse. Le résultat pourrait être une fenêtre à double vitrage 40 % plus isolante que les fenêtres traditionnelles et 85 % aussi isolante que les fenêtres à triple vitrage d'aujourd'hui, à moins de la moitié du prix. Mieux encore, la technologie pourrait être adoptée rapidement. La vitre en aérogel est conçue pour s'adapter au processus de fabrication actuel à deux vitres qui est omniprésent dans l'industrie, il pourrait donc être fabriqué à faible coût sur les lignes de production existantes avec seulement des modifications mineures.
Guidé par le modèle de Zhao, les chercheurs continuent d'améliorer les performances de leurs aérogels, avec un accent particulier sur l'augmentation de la clarté tout en maintenant la transparence et l'isolation thermique. En outre, ils envisagent d'autres systèmes traditionnels à faible coût qui, comme les technologies solaires thermiques et de fenêtres, bénéficieraient du glissement dans un aérogel optimisé pour créer une barrière thermique haute performance qui laisse entrer un ensoleillement abondant.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
