Ett nyutvecklat material som är så perfekt genomskinligt att du knappt kan se det skulle kunna låsa upp många nya användningsområden för solvärme. Den genererar mycket högre temperaturer än vad konventionella solfångare gör – tillräckligt för att användas för uppvärmning av hem eller för industriella processer som kräver värme på mer än 200 grader Celsius (392 grader Fahrenheit).

Nyckeln till processen är en ny typ av aerogel, ett lätt material som mestadels består av luft, med en struktur gjord av kiseldioxid (som också används för att göra glas). Materialet släpper igenom solljus lätt men blockerar solvärme från att strömma ut. Fynden beskrivs i tidskriften ACS Nano , i en tidning av Lin Zhao, en MIT-student; Evelyn Wang, professor och prefekt för institutionen för maskinteknik; Gang Chen, Carl Richard Söderberg professor i kraftteknik; och fem andra.

Nyckeln till effektiv insamling av solvärme, Wang förklarar, är att kunna hålla något varmt internt samtidigt som det förblir kallt på utsidan. Ett sätt att göra det är att använda ett vakuum mellan ett lager av glas och ett mörkt, värmeabsorberande material, vilket är den metod som används i många koncentrerade solfångare men är relativt dyr att installera och underhålla. Det har funnits ett stort intresse för att hitta en billigare, passivt system för uppsamling av solvärme vid de högre temperaturnivåer som behövs för uppvärmning av rum, Livsmedelsbearbetning, eller många industriella processer.

Aerogels, ett slags skumliknande material gjord av kiseldioxidpartiklar, har utvecklats i flera år som högeffektiva och lätta isoleringsmaterial, men de har i allmänhet haft begränsad transparens för synligt ljus, med cirka 70 procent överföringsnivå. Wang säger att utveckla ett sätt att göra aerogeler som är tillräckligt transparenta för att fungera för solvärmeuppsamling var en lång och svår process som involverade flera forskare under cirka fyra år. Men resultatet är en aerogel som släpper igenom över 95 procent av inkommande solljus samtidigt som den bibehåller sina mycket isolerande egenskaper.

Nyckeln till att få det att fungera låg i de exakta förhållandena mellan de olika materialen som användes för att skapa aerogelen, som framställs genom att blanda en katalysator med korn av en kiseldioxidhaltig förening i en flytande lösning, bildar en slags gel, och sedan torka det för att få ut all vätska, lämnar en matris som mestadels är luft men som behåller den ursprungliga blandningens styrka. Att producera en blandning som torkar ut mycket snabbare än de i konventionella aerogeler, de hittade, producerade en gel med mindre porutrymmen mellan sina korn, och det spred därför ljuset mycket mindre.

I tester på ett tak på MIT campus, en passiv enhet bestående av ett värmeabsorberande mörkt material täckt med ett lager av den nya aerogelen kunde nå och bibehålla en temperatur på 220 C, mitt i en Cambridge-vinter när utomhusluften var under 0 C.

Sådana höga temperaturer har tidigare bara varit praktiskt genom att använda koncentreringssystem, med speglar för att fokusera solljus på en central linje eller punkt, men detta system kräver ingen koncentration, gör det enklare och billigare. Det kan potentiellt göra det användbart för en mängd olika applikationer som kräver högre värmenivåer.

Till exempel, enkla platta takkollektorer används ofta för tappvarmvatten, producerar temperaturer på runt 80 C. Men de högre temperaturerna som möjliggörs av aerogelsystemet skulle kunna göra sådana enkla system användbara även för uppvärmning av hem, och även för att driva ett luftkonditioneringssystem. Storskaliga versioner kan användas för att ge värme för en mängd olika tillämpningar inom kemiska, matproduktion, och tillverkningsprocesser.

Zhao beskriver aerogellagrets grundläggande funktion som "som en växthuseffekt. Materialet vi använder för att öka temperaturen fungerar som jordens atmosfär gör för att ge isolering, men det här är ett extremt exempel på det."

För de flesta ändamål, det passiva värmeuppsamlingssystemet skulle anslutas till rör som innehåller en vätska som kan cirkulera för att överföra värmen till var den än behövs. Alternativt Wang föreslår, för vissa användningsområden kan systemet anslutas till värmerör, enheter som kan överföra värme över en sträcka utan att behöva pumpar eller några rörliga delar.

Eftersom principen i huvudsak är densamma, en aerogelbaserad solvärmekollektor kan direkt ersätta de vakuumbaserade solfångarna som används i vissa befintliga applikationer, ger ett billigare alternativ. Materialen som används för att göra aerogelen är alla rikliga och billiga; den enda kostsamma delen av processen är torkning, vilket kräver en specialiserad anordning som kallas en kritisk punkttork för att möjliggöra en mycket exakt torkningsprocess som extraherar lösningsmedlen från gelén samtidigt som dess struktur i nanoskala bevaras.

Eftersom det är en batchprocess snarare än en kontinuerlig process som skulle kunna användas vid tillverkning av rulle till rulle, det skulle kunna begränsa produktionstakten om systemet skalas upp till industriella produktionsnivåer. "Nyckeln till uppskalning är hur vi kan minska kostnaderna för den processen, " säger Wang. Men även nu, en preliminär ekonomisk analys visar att systemet kan vara ekonomiskt lönsamt för vissa användningsområden, speciellt i jämförelse med vakuumbaserade system.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.