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MIT aerogel erfasst Solarwärme für Haushalts- und Industrieanwendungen

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Hochtransparentes Isoliermaterial auf Kieselsäurebasis kann auch bei kalten Winterbedingungen hohe Temperaturen aus Sonnenlicht erzeugen

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Aerogele sind paradoxe Materialien. So flüchtig, dass sie kaum da zu sein scheinen, haben sie außergewöhnliche Eigenschaften. Das MIT-Team, eine Zusammenarbeit von Ingenieuren verschiedener Fachrichtungen, hat ein Material entwickelt, das angeblich in der Lage ist, Sonnenlicht zu übertragen und gleichzeitig Sonnenwärme effizient einzufangen.

In einem Beitrag in der Zeitschrift ACS Nano beschreiben Evelyn Wang, Leiterin der Fakultät für Maschinenbau, Doktorandin Lin Zhao, Professorin für Energietechnik Gang Chen und Kollegen, wie sie das Aerogel (das sie als Treibhausmedium bezeichnen) durch Kontrolle der Hydrolyse- und Kondensationsraten von Tetramethylorthosilikat (TMOS) hergestellt haben. Dazu haben sie ein neuartiges Verfahren entdeckt, das nicht nur die optische Transparenz des Materials verbessert, sondern auch die Fertigungszeit von Wochen auf Tage reduziert.

Der Schlüssel zum Erfolg lag in den genauen Verhältnissen der verschiedenen Materialien, aus denen das Aerogel hergestellt wurde, erklärt das Papier. Das Verfahren besteht darin, einen Katalysator mit Körnern einer siliziumdioxidhaltigen Verbindung in einer flüssigen Lösung zu mischen und dann das resultierende Gel zu trocknen, um eine Matrix zu hinterlassen, die hauptsächlich Luft ist, aber die mechanische Festigkeit der ursprünglichen Mischung beibehält. Durch die Herstellung einer Mischung, die viel schneller trocknet als herkömmliche Hydrogel-Vorläufer, entstand ein Gel mit viel kleinerer Porengröße zwischen den Körnern, was zu einer geringeren Lichtstreuung führt.

Laut Wang übertragen herkömmliche Hydrogele, obwohl hochwirksame Isolatoren, maximal 70 Prozent des einfallenden Lichts. Das neue Hydrogel lässt jedoch 95 Prozent des einfallenden Sonnenlichts durch, behält aber die hochisolierenden Eigenschaften, so dass die Wärme des Sonnenlichts nicht entweicht.

An einem sonnigen Tag mitten im Winter, der in Cambridge, Massachusetts, tendenziell deutlich unter 0°C liegt, führte das Team Tests mit dem Material durch. Sie bauten eine passive Vorrichtung aus einem wärmeabsorbierenden dunklen Material, das mit einer Schicht des neuen Aerogels bedeckt war. Das dunkle Material erreichte und hielt eine Temperatur von 220°C, berichten sie. Solche Temperaturen wurden bisher nur durch ein konzentriertes System von Spiegeln und Linsen erreicht, die das Sonnenlicht auf eine zentrale Linie oder einen zentralen Punkt fokussieren. Solche Systeme sind komplexer und teurer als die passive Aerogel-Kollektor-Kombination.

Die erreichte Temperatur wird industriell als Zwischenstufe eingestuft, wäre aber für die Erzeugung von Brauchwasser auf einem Dachsystem, für die Versorgung von Klimaanlagen oder für eine Vielzahl von Anwendungen in der Chemie- oder Lebensmittelproduktion geeignet und bietet viele Herstellungsverfahren, so das Team. "Das Material, das wir zur Erhöhung der Temperatur verwenden, wirkt wie die Erdatmosphäre zur Isolierung, aber das ist ein extremes Beispiel dafür", sagte Zhao.

Ein Aspekt, der noch untersucht werden muss, ist, wie man die Herstellung des Materials vergrößern kann, sagte Wang. Dies kann die Ausarbeitung eines kontinuierlichen und nicht eines Batch-Verfahrens zur Herstellung beinhalten. Doch selbst die derzeitige Methode, die den Einsatz eines speziellen Geräts, eines so genannten kritischen Punkttrockners, erfordert, könnte für einige Anwendungen kostengünstig sein.