El 'humo congelado' hace que los ladrillos de vidrio sean fuertes y súper aislantes

Cómo un material inventado en la década de 1930 podría revolucionar la forma en que construimos edificios

La misión de polvo de estrellas de la NASA recolectó con éxito polvo de la cola de un cometa y lo devolvió a la Tierra. ... [+] El aerogel utilizado como medio de recolección fue desarrollado en JPL. En esta foto de 2002 está el Dr. Peter Tsou con su bandeja utilizada en las pruebas de vuelo de la nave Stardust; idéntico al usado en Stardust. (Foto de Ken Hively/Los Angeles Times a través de Getty Images)

En 1999, la NASA lanzó una nave espacial con una misión ambiciosa: recolectar muestras de polvo de la cola de un cometa distante y devolver algunas de esas muestras a la Tierra. Un año después de su lanzamiento desde Cabo Cañaveral, la nave espacial Stardust recolectó sus primeras partículas de polvo interestelar. Cuatro años después, alcanzó su objetivo, el cometa 81P/Wild, a veces conocido como Wild 2, y desplegó su colector de muestras. Descrito como "... una bandeja de cubitos de hielo de metal colocada en una raqueta de tenis de gran tamaño", el componente principal del colector era aerogel de sílice, una espuma extraordinaria, liviana y translúcida. Cuando una partícula de polvo golpeó el aerogel, se enterró en él, desacelerando suavemente hasta detenerse. El aerogel mantuvo las partículas en su lugar, preservándolas. Cuando la cápsula de retorno de muestras finalmente regresó a la Tierra en 2006, contenía decenas de miles de partículas, lo que permitió a los investigadores y al público estudiar algunos de los componentes básicos de nuestro sistema solar.

Inventados más de seis décadas antes, los aerogeles se encuentran entre los materiales sólidos más ligeros jamás conocidos. Si bien se pueden fabricar a partir de una variedad de compuestos químicos, los más comunes son los basados ​​en sílice. Para hacer uno, combina dióxido de silicio con un solvente, produciendo un gel húmedo y poroso estructuralmente similar a la gelatina (pero no se deje engañar, no es comestible*). Luego lo somete a un proceso llamado secado supercrítico, mediante el cual presuriza y calienta el gel en presencia de un fluido (por ejemplo, dióxido de carbono). Cuando se hace correctamente, elimina el líquido del gel y lo reemplaza con aire, sin dañar la estructura. El marco sólido pero de densidad extremadamente baja del gel queda atrás, lo que le da a los aerogeles la apariencia fantasmal por la que son famosos. Los aerogeles de sílice han recibido apodos como 'humo congelado' y 'nube sólida', y con una porosidad de entre el 90 y el 99,8 %, los aerogeles son en su mayoría aire. Esto no solo los hace súper livianos; también significa que pueden ser aislantes térmicos efectivos.

Y aquí es donde los aerogeles de sílice han encontrado mayor uso aquí en la Tierra.

Hacer que los edificios sean más eficientes energéticamente es una parte clave de nuestra transición hacia un futuro con menos carbono. El estado actual del sector no es bueno. Según la Agencia Internacional de la Energía, el funcionamiento de los edificios representa un asombroso 30 % del consumo mundial de energía. Y el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente dice que en lugar de disminuir en los últimos años, esta proporción sigue creciendo; La demanda de energía de los edificios aumentó alrededor de un 4% entre 2020 y 2021, el mayor aumento en los últimos 10 años.

Parte de esto ha sido impulsado por el crecimiento de la población urbana (más personas, más edificios), pero también parece haber sido influenciado por nuestra obsesión por los rascacielos altos y revestidos de vidrio.

El aislamiento ayuda a mejorar el rendimiento térmico de un edificio. Fotógrafo: Sergio Flores/Bloomberg

El diseño de la envolvente de un edificio (su capa exterior) y los materiales utilizados para construirlo tienen un gran impacto en el consumo final de energía del edificio. Las paredes, los pisos, los techos, las ventanas, las escaleras, las puertas, los huecos de los ascensores y el techo se combinan para dictar el rendimiento térmico de la estructura general. Eso, a su vez, define el costo que implicará mantener temperaturas interiores confortables una vez que se ocupe el edificio**.

Mejorar el rendimiento térmico generalmente significa aumentar el grosor de su aislamiento. Esto no es un problema para las paredes opacas hechas de hormigón, madera o ladrillo. Existen infinidad de materiales aislantes en el mercado, incluidos los fabricados a partir de residuos, y otros elaborados a partir de aerogel.

La primera vez que se utilizaron aerogeles en proyectos de construcción fue hace más de veinte años. El enfoque más común entonces, como ahora, era combinar el material con fibras de vidrio, minerales o de carbono para crear mantas ultraaislantes que se pueden instalar detrás de paredes y techos. Más recientemente, los fabricantes comenzaron a aprovechar las propiedades ópticas del aerogel; intercalando pequeños gránulos entre paneles de policarbonato reforzado para formar paneles translúcidos que no soportan carga y que se pueden integrar en edificios. Estos paneles de aerogel ahora se pueden encontrar en escuelas, museos, centros deportivos, iglesias, hospitales, estadios y aeropuertos de todo el mundo. Lo que los hace tan útiles es su combinación única de propiedades. Su translucidez significa que permiten el paso de la luz del día, pero su baja conductividad térmica significa que minimizan la pérdida de calor.

Un nuevo artículo, publicado esta semana en el Journal of Building Engineering, parece haber agregado otra propiedad a esa lista: la resistencia estructural.

Investigadores del Laboratorio Federal Suizo de Ciencia y Tecnología han diseñado un novedoso ladrillo de vidrio relleno de aerogel de sílice que, según dicen, tiene el rendimiento de aislamiento más alto informado hasta ahora. Además, sus ladrillos son muchas veces más fuertes que los bloques aislantes de arcilla estándar.

Estos ladrillos rellenos de aerogel dejan pasar una luz difusa a través de ellos, a la vez que actúan como un eficaz ... [+] aislamiento térmico

Los 'aerobricks' tienen tres componentes principales: vidrio flotado estándar, epoxi y aerogel. El vidrio forma la mayor parte de la estructura: su prototipo de mejor rendimiento utiliza cuatro piezas de vidrio. El epoxi se usa para sellar los bordes exteriores del ladrillo. También se moldea para formar espaciadores en forma de zigzag que unen los paneles de vidrio, formando cavidades que luego se pueden llenar con gránulos de aerogel. El ladrillo final medía 50 × 13,6 x 8,4 cm [aprox. 20 x 5 x 3 pulgadas]

Aunque no midieron directamente la transmisividad de sus ladrillos de vidrio rellenos de aerogel, pudieron estimarla en función de sus componentes individuales. Dicen que >38% de la luz visible pasa a través de los ladrillos, lo cual es más bajo que las ofertas comerciales actuales. En otras palabras, es probable que una pared hecha con estos ladrillos transmita un poco menos de luz que los paneles de policarbonato rellenos de aerogel.

Los otros resultados del equipo fueron más prometedores.

Midieron el rendimiento térmico del ladrillo (y de una pared simulada de seis filas de ladrillos) utilizando una placa calefactora protegida a gran escala. También hicieron una simulación del ladrillo utilizando un software de análisis térmico. Los resultados mostraron una concordancia bastante estrecha: la conductividad térmica medida fue de 53,0 mW/(m·K) y el valor simulado fue de 50,5 mW/(m·K). Esto los hace más aislantes que cualquier cosa "... reportada en la literatura o disponible en el mercado". Son incluso mejores para atrapar el calor que muchos materiales aislantes opacos.

Para comprender qué tan fuerte era cada ladrillo, colocaron uno en un probador de compresión, que es una máquina que aplica grandes cantidades de fuerza a un material, aumentándola gradualmente hasta que el material se rompe. Esta prueba mostró que los ladrillos tenían una resistencia a la compresión de casi 45 MP, lo que sugiere que, a diferencia de los paneles de policarbonato, serían adecuados para su uso en estructuras de carga.

Cada ladrillo está hecho de cuatro láminas de vidrio, separadas por espacios de epoxi. Se utilizan gránulos de aerogel ... [+] para rellenar cada cavidad resultante

Los investigadores han presentado una solicitud de patente para su invención y dicen que sus aeroladrillos son los más adecuados para reemplazar las paredes perimetrales, en lugar de sustituir las ventanas. Escriben que "... abre el potencial para crear una envolvente de edificio con una fachada translúcida mecánicamente autoportante... que no solo aísla bien sino que también aporta luz natural al interior del edificio".

Con tantos de nosotros pasando largos períodos de tiempo en el interior, nuestras ciudades cada vez más densas y una necesidad urgente de reducir el consumo de energía en nuestros hogares urbanos, estos ladrillos podrían ponerse de moda.

* Es muy probable que estés familiarizado con el ingrediente principal del aerogel, el gel de sílice. Formado en pequeñas perlas y empacado en pequeñas bolsas permeables, se usa comúnmente como desecante, absorbiendo la humedad de los productos comerciales.

** El costo puede ser significativo. A nivel mundial, la calefacción y la refrigeración de espacios representan entre uno y dos tercios de toda la energía consumida por los edificios.