Aerogel di cellulosa silanizzata altamente trasparenti per aumentare l'efficienza energetica delle vetrate negli edifici

Data: 18 agosto 2023

Autori: Eldho Abraham, Vladyslav Cherpak, Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove, Taewoo Lee, Qingkun Liu e Ivan I. Smalyukh

Fonte:Natura Energia, volume 8, pagine 381–396 (2023)

DOI:https://doi.org/10.1038/s41560-023-01226-7

Per mantenere condizioni interne confortevoli, gli edifici consumano circa il 40% dell’energia generata a livello globale. In termini di isolamento passivo degli interni degli edifici dal freddo o dal caldo esterno, finestre e lucernari sono le parti meno efficienti dell’involucro dell’edificio perché ottenere contemporaneamente un’elevata trasparenza e un isolamento termico delle vetrate rimane una sfida. Qui descriviamo aerogel altamente trasparenti fabbricati da cellulosa, un biopolimero abbondante sulla Terra, utilizzando approcci come l'autoassemblaggio colloidale e procedure compatibili con la lavorazione roll-to-roll. Gli aerogel hanno una trasmissione della luce nel campo visibile del 97-99% (migliore del vetro), una foschia di circa l'1% e una conduttività termica inferiore a quella dell'aria ferma. Questi materiali leggeri possono essere utilizzati come lastre all'interno di vetrate isolanti multistrato e per adattare finestre esistenti. Dimostriamo come gli aerogel aumentano l’efficienza energetica e possono consentire soluzioni tecniche avanzate per vetrate isolanti, lucernari, illuminazione naturale e vetrate per facciate, aumentando potenzialmente il ruolo delle vetrate negli involucri degli edifici.

Per fornire le condizioni interne desiderate indipendentemente dall’ambiente esterno con un apporto energetico aggiuntivo minimo o nullo, gli involucri edilizi devono ridurre al minimo lo scambio di energia interno-esterno attraverso la conduzione termica, convezione ed emissione1,2,3,4. Raggiungere questo obiettivo con le vetrate è particolarmente impegnativo a causa dei tipici requisiti rigorosi sulla trasparenza e sulla foschia nel campo visibile5,6. Sebbene gli attuali approcci a questa sfida utilizzino le unità di vetro isolante (IGU) con aria o gas di riempimento5,6,7,8, le elevate prestazioni di barriera termica di tali IGU richiedono un ampio spessore dello spazio tra i vetri, che a sua volta è limitato dalla convezione del gas , numero di vetri e vincoli strutturali. L'uso di vetrate isolanti sotto vuoto molto più sottili, d'altro canto, è limitato dall'integrità della tenuta e dai costi elevati9,10. L'argento a bassa emissività e altri rivestimenti consentono di limitare la perdita di energia dovuta all'emissività elettromagnetica simile a un corpo nero proveniente dall'interno dell'edificio a temperatura ambiente5,6,7,8,9,10, sebbene possano catturare solo una frazione della fuga energia al costo di deteriorare la trasparenza del campo visibile.

Gli aerogel, materiali altamente isolanti dal punto di vista termico utilizzati in applicazioni che vanno dall'isolamento dei tubi al rover su Marte11,12,13, sono stati molto ricercati per applicazioni all'interno delle IGU come materiale solido sostitutivo dei riempitivi di gas14,15,16,17,18,19 perché si distinguono come una classe di materiali in grado di surclassare l'aria ferma e altri riempitivi di gas come efficienti barriere termiche20,21,22,23,24. Tuttavia, gli aerogel sono tipicamente meccanicamente fragili e diffondono fortemente la luce12,13,25,26,27,28,29. Anche la produzione di aerogel con bassa opacità, elevata trasparenza e robustezza meccanica su scale e costi rilevanti per l’edilizia è rimasta una sfida30. Lo sviluppo di aerogel trasparenti, compresi quelli a base di cellulosa25,28,29,30,31, è rimasto limitato a piccole scale, pur presentando caratteristiche di opacità e trasparenza ancora inadeguate per l'uso nella maggior parte dei tipi di vetrate. Sebbene le soluzioni tecnologiche per il controllo dell’emissività dell’intervallo termico siano altamente adeguate e ampiamente utilizzate5,6,7,8,9, e il recente avvento degli approcci elettrocromici prometta di soddisfare le esigenze di guadagno solare e controllo della privacy32,33,34, la mancanza di buone barriere termiche trasparenti limita fortemente l’efficienza energetica delle tecnologie delle finestre5,6,7,8,9.

Qui dimostriamo la produzione scalabile di aerogel di cellulosa silanizzata altamente trasparenti (SiCellAs) con caratteristiche del materiale adeguate per le applicazioni di vetratura. Questi materiali SiCellA altamente isolanti termicamente, inseriti tra lastre di vetro, possono consentire finestre con elevata resistenza R al flusso di calore, come RB = 5 h ft2 °F Btu−1 (unità imperiali comuni per il Nord America, dove Btu sta per un britannico unità termica) e RS ≈ 0,9 m2 K W−1 (unità SI). SiCellA può contribuire a raggiungere un isolamento R così elevato per il fattore di forma geometrica di una vetrata isolante a doppio vetro convenzionale e può consentire l'uso di vetrate per l'illuminazione naturale e i lucernari, superando potenzialmente gli standard e gli obiettivi attuali non solo per le finestre ma anche per le pareti degli edifici1,2, 3,4,7. Sebbene l'impiego di IGU con riempitivi di aria o altro gas sia limitato dalla convezione in corrispondenza di ampi spazi tra i pannelli e dai riflessi della luce dalle interfacce vetro-aria delle IGU multipannello, non esistono limitazioni intrinseche di questo tipo per le IGU basate su SiCellA.