Le nouveau matériau isolant en aérogel est hautement transparent, transmettre 95 pour cent de la lumière. Dans cette photo, des faisceaux laser parallèles sont utilisés pour rendre le matériau visible. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts
Un matériau nouvellement développé qui est si parfaitement transparent que vous pouvez à peine voir qu'il pourrait débloquer de nombreuses nouvelles utilisations de la chaleur solaire. Il génère des températures beaucoup plus élevées que les capteurs solaires conventionnels, suffisamment pour être utilisé pour le chauffage domestique ou pour les processus industriels nécessitant une chaleur de plus de 200 degrés Celsius (392 degrés Fahrenheit).
La clé du processus est un nouveau type d'aérogel, un matériau léger qui se compose principalement d'air, avec une structure en silice (qui sert aussi à fabriquer du verre). Le matériau laisse passer facilement la lumière du soleil mais empêche la chaleur solaire de s'échapper. Les résultats sont décrits dans la revue ACS Nano , dans un article de Lin Zhao, un étudiant diplômé du MIT ; Evelyne Wang, professeur et chef du Département de génie mécanique; Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg en ingénierie énergétique; et cinq autres.
La clé d'une captation efficace de la chaleur solaire, Wang explique, est de pouvoir garder quelque chose de chaud à l'intérieur tout en restant froid à l'extérieur. Une façon de le faire est d'utiliser un vide entre une couche de verre et un sombre, matériau absorbant la chaleur, qui est la méthode utilisée dans de nombreux capteurs solaires à concentration, mais qui est relativement coûteuse à installer et à entretenir. Il y a eu un grand intérêt à trouver un produit moins cher, système passif pour collecter la chaleur solaire aux niveaux de température plus élevés nécessaires au chauffage des locaux, préparation des aliments, ou de nombreux procédés industriels.
Aérogels, une sorte de matériau de type mousse composé de particules de silice, ont été développés pendant des années en tant que matériaux isolants très efficaces et légers, mais ils ont généralement eu une transparence limitée à la lumière visible, avec un niveau de transmission d'environ 70 pour cent. Wang dit que développer un moyen de fabriquer des aérogels suffisamment transparents pour fonctionner pour la collecte de la chaleur solaire a été un processus long et difficile impliquant plusieurs chercheurs pendant environ quatre ans. Mais le résultat est un aérogel qui laisse passer plus de 95 % de la lumière solaire entrante tout en conservant ses propriétés hautement isolantes.
La clé pour le faire fonctionner était dans les rapports précis des différents matériaux utilisés pour créer l'aérogel, qui sont fabriqués en mélangeant un catalyseur avec des grains d'un composé contenant de la silice dans une solution liquide, formant une sorte de gel, puis le sécher pour faire sortir tout le liquide, laissant une matrice qui est principalement de l'air mais conserve la force du mélange d'origine. Produire un mélange qui sèche beaucoup plus rapidement que ceux des aérogels conventionnels, ils ont trouvé, produit un gel avec des espaces de pores plus petits entre ses grains, et cela diffusait donc beaucoup moins la lumière.
Lors de tests sur un toit du campus du MIT, un dispositif passif constitué d'un matériau sombre absorbant la chaleur recouvert d'une couche du nouvel aérogel a pu atteindre et maintenir une température de 220 C, au milieu d'un hiver à Cambridge lorsque l'air extérieur était inférieur à 0 C.
Un dispositif de test installé sur un toit au MIT a prouvé l'efficacité du nouveau matériau isolant. Lorsqu'il est placé au soleil, l'appareil chauffe jusqu'à 220 degrés C., même si la température extérieure à l'époque était d'environ zéro degré. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts
De telles températures élevées n'étaient auparavant pratiques qu'en utilisant des systèmes de concentration, avec des miroirs pour focaliser la lumière du soleil sur une ligne ou un point central, mais ce système ne nécessite aucune concentration, le rendant plus simple et moins coûteux. Cela pourrait potentiellement le rendre utile pour une grande variété d'applications nécessitant des niveaux de chaleur plus élevés.
Par exemple, de simples capteurs à toiture plate sont souvent utilisés pour l'eau chaude sanitaire, produisant des températures d'environ 80 ° C. Mais les températures plus élevées permises par le système d'aérogel pourraient également rendre ces systèmes simples utilisables pour le chauffage domestique, et même pour alimenter un système de climatisation. Des versions à grande échelle pourraient être utilisées pour fournir de la chaleur pour une grande variété d'applications en chimie, production alimentaire, et procédés de fabrication.
Zhao décrit la fonction de base de la couche d'aérogel comme "comme un effet de serre. Le matériau que nous utilisons pour augmenter la température agit comme l'atmosphère terrestre pour fournir une isolation, mais ceci en est un exemple extrême."
Dans la plupart des cas, le système passif de collecte de chaleur serait connecté à des tuyaux contenant un liquide qui pourrait circuler pour transférer la chaleur là où elle est nécessaire. Alternativement, Wang suggère, pour certaines utilisations, le système peut être connecté à des caloducs, dispositifs qui peuvent transférer la chaleur sur une distance sans avoir besoin de pompes ou de pièces mobiles.
Parce que le principe est essentiellement le même, un capteur de chaleur solaire à base d'aérogel pourrait remplacer directement les capteurs à vide utilisés dans certaines applications existantes, offrant une option à moindre coût. Les matériaux utilisés pour fabriquer l'aérogel sont tous abondants et peu coûteux; la seule partie coûteuse du processus est le séchage, qui nécessite un dispositif spécialisé appelé sécheur à point critique pour permettre un processus de séchage très précis qui extrait les solvants du gel tout en préservant sa structure nanométrique.
Parce qu'il s'agit d'un processus par lots plutôt que continu qui pourrait être utilisé dans la fabrication de rouleaux à rouleaux, cela pourrait limiter le taux de production si le système est étendu aux niveaux de production industrielle. "La clé de la mise à l'échelle est de savoir comment nous pouvons réduire le coût de ce processus, " dit Wang. Mais même maintenant, une analyse économique préliminaire montre que le système peut être économiquement viable pour certains usages, surtout en comparaison avec les systèmes à vide.
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.
