Materiali superisolanti a base aerogel

Analisi dello stato dell’arte dei sistemi isolanti con aerogel dai prodotti cementizi e intonaci idraulici ai sottili pannelli isolanti

Un obiettivo prioritario nel settore delle tecnologie per l’edilizia resta quello dello sviluppo di materiali innovativi in grado di garantire significativi risparmi energetici e miglioramento del confort abitativo. In questo settore, i prodotti additivati con aerogel sono spesso indicati come materiali promettenti per ottenere un’alta resistenza termica dell’involucro edilizio. Questo articolo si pone l’obiettivo di descrivere lo stato dell’arte dei sistemi isolanti con aerogel, analizzando prodotti cementizi e intonaci idraulici in raffronto a sottili pannelli isolanti, ritenuti ad oggi tra i sistemi superisolanti più promettenti, con prestazioni di conducibilità termica poco superiori a 0,010 W/(mK) rilevate a seguito di misure di conducibilità eseguite su diverse tipologie di pannelli.

Nel tentativo di garantire il raggiungimento di significative riduzioni dei consumi energetici globali  è stata rivolta crescente attenzione al settore dell’edilizia.

In questo quadro, appaiono fondamentali le ricerche relative a nuovi prodotti isolanti che permettano di realizzare involucri edilizi ad alte prestazioni con spessori sottili. Infatti, mentre i comuni materiali isolanti hanno valori di conducibilità termica intorno a 0,05 W/mK, la recente attenzione dei laboratori di tutto il mondo si è spostata sui cosiddetti superisolanti, ossia su quei materiali, come gli aerogel, con una conducibilità termica inferiore a 0,02 W/mK (e spesso inferiore a 0,01 W/mK).

Gli aerogel sono materiali nanostrutturati sintetici altamente porosi, ispirati a un brevetto di Steven Kistler del 1931. Il termine aerogel deriva dal gel di cui sono costituiti, in cui la componente liquida del gel viene poi sostituita con un gas, conferendo al prodotto finale un aspetto di “fumo condensato” o “nebbia solidificata”. Rispetto a qualsiasi altro materiale conosciuto, l’aerogel ha la più alta porosità, la più alta superficie specifica e la più bassa densità, tipicamente inferiore a 100 kg/m³. La loro bassa conducibilità termica è il risultato dell’elevata porosità e della nano dimensione dei pori. Purtroppo per la loro fragilità dovuta ad una bassa resistenza a trazione e per i costi elevati rispetto ai materiali tradizionali, trovano maggior impiego in accoppiamento ad altri materiali (Fig.1).

Mercato degli Aerogel

Il principale vantaggio offerto da questi materiali è dato dalle eccezionali proprietà termiche che garantiscono la possibilità di notevoli prestazioni in ridotti spessori. In particolare, garantiscono un notevole risparmio di spazio durante la riqualificazione degli edifici dall’interno, fornendo un’alta resistenza termica in strati sottili.

Ad oggi l’elevato costo (causato dai processi di sintesi del gel e dai successivi cicli di disidratazione) rispetto ai materiali tradizionali, resta il fattore maggiormente limitante per la  loro diffusione, che tuttavia sta registrando un aumento costante negli anni recenti. Per fare qualche riferimento, il prezzo di un pannello in aerogel di spessore 13 mm si aggira tra i 25 e i 35 €/m².

Il mercato globale per aerogel a base di silice è stato stimato pari a 307,5 ​​milioni di dollari (americani) nel 2014, 427 milioni di dollari nel 2016 e si prevede raggiungerà quota 1,92 miliardi entro il 2022, con una crescita annuale superiore al 10%. Al giorno d’oggi, il settore principale di questo mercato è rappresentato dall’isolamento di condotte industriali (specie nel settore dell’estrazione di idrocarburi), sebbene le applicazioni in edilizia stiano aumentando considerevolmente.

Proprietà degli Aerogel

Gli aerogel sono gel essiccati con una porosità eccezionalmente elevata, che consente loro di avere una conducibilità termica inferiore rispetto all’aria (~0,01-0,02 W/mK), ottenuta bilanciando la bassa conducibilità dello scheletro solido e la bassa conducibilità della (residua) componente gassosa.

E’ così che nanopori con diametri di poche decine di nanometri occupano dall’85% fino al 99,9% del volume totale, restituendone un materiale ad elevata porosità con proprietà fisiche, termiche, ottiche e acustiche uniche, ma anche resistenze meccaniche ridotte. Per questo motivo, gli aerogel sono tipicamente incorporati in una matrice di fibre più forti, per migliorarne la resistenza complessiva suggerendone l’uso nel settore edile, in strati isolanti come pannelli, o in intonaci come malte e intonaci.

Allo stesso tempo, grazie alle caratteristiche traslucide, è stata proposta la loro introduzione nei sistemi vetrati sia utilizzando aerogel monolitici che di tipo granulare.

Tabella 1 Principali proprietà degli aerogel più comuni nel settore delle costruzioni l’aerogel in silice.

Sistemi opachi con Aerogel

Malte cementizie con aerogel

Tipicamente, il calcestruzzo ha conducibilità termiche elevate che variano tra 1,7 e 2,5 W / mK, pertanto necessita di strati di isolamento termico per ottenere proprietà isolanti adeguate. Le recenti ricerche sulle malte e sui calcestruzzi con aerogel hanno quindi mirato a progettare nuove miscele leggere che garantiscano un’adeguata resistenza alla compressione e buon isolamento termico.

Il gruppo di ricerca BeTOP dell’Università Ryerson con la collaborazione di ricercatori e studenti dell’Universita’ di Bologna ha studiato nuove miscele di calcestruzzo additivati con aerogel e cemento Portland, per realizzare numerosi campioni di malte con l’impiego di aggregati naturali ( diametro massimo di 4,75 mm), superfluidificanti per mantenere la consistenza e la lavorabilità della miscela (Figure 3-4) e additivi aeranti. Ciò ha permesso una riduzione dell’acqua di miscelazione senza perdita meccaniche.

La resistenza alla compressione dei campioni di malta standard senza aerogel era di circa 50 Mpa. Questa si è dimezzata aggiungendo la miscela aerante come mostrato in Fig.5. Parallelamente si è notato come la conducibilità termica diminuiva linearmente all’aumentare della quantità di aerogel nell’impasto.

Intonaci con aerogel

Gli intonaci rinforzati con aerogel hanno il vantaggio di essere semplici da implementare e flessibili rispetto alle superfici irregolari, consentendo di creare uno strato continuo di isolamento termico riempiendo gli spazi e le giunture dell’involucro di un edificio.

La bassa densità degli intonaci a base di aerogel permette l’applicazione di strati spessi (superiori a 5 cm) con griglie interne in fibra di vetro, creando un isolamento adeguato, specialmente in circostanze in cui altri materiali isolanti tradizionali trovano difficoltà d’impiego, ad esempio su costruzioni irregolari, facciate di pregio architettonico o volte. A causa della natura idrofobica dell’aerogel, gli intonaci rinforzati con aerogel hanno anche il vantaggio di essere idrorepellenti, evitando l’assorbimento di acqua, mentre sono permeabili al vapore acqueo e più traspiranti rispetto agli intonaci convenzionali.

Un intonaco rinforzato con l’aerogel comunemente utilizzato è stato sviluppato presso l’Istituto Federale Svizzero EMPA (ed è oggi commercializzato con il nome di FIXIT 222). Questo materiale utilizza più del 50% vol. aerogel di silice e ha una conducibilità termica di 0,028 W / (mK); ha superato efficacemente numerose esperienze applicative dal 2013, vedendo al contempo il suo prezzo ridursi in modo significativo (il prezzo attuale è compreso tra 100 e 150 € per un sacco da 50 litri, ovvero circa 2 o 3 € per chilogrammo secco), così da presentarsi oggi quale valida alternativa tra gli intonaci termoisolanti.

Recentemente, presso la Ryerson University, è stato prodotto un intonaco rinforzato con aerogel mescolando intonaci a base di calce idraulica con aerogel di silice granulare in percentuali diverse (dal 25% al ​​95% in volume) e utilizzando granuli di aerogel brevettati.

I risultati dei test di conducibilità termica di questi prodotti hanno confermato una relazione lineare tra la densità dell’intonaco e la conducibilità termica risultante (Tabella 2). La conducibilità termica ha assunto valori inferiori a 0,03 W/(mK) miscelando più del 70% vol. di granuli di aerogel.

Tabella 2. Principali proprietà di diversi intonaci con aerogel (Nosrati e Berardi, 2018).

Pannelli con aerogel

Per rafforzare le proprietà di trazione degli aerogel di silice da utilizzare come materiale isolante, è stato recentemente proposto di rinforzare gli aerogel con materiali meccanicamente più resistenti e matrici di fibre non tessute come vetro, fibre minerali o carbonio. Quando le fibre o la matrice fibrosa vengono aggiunte alla miscela pre-gel che contiene i precursori del gel, il composito essiccato risultante è un pannello di aerogel.

La conducibilità termica dei pannelli di aerogel attualmente reperibili sul mercato è di circa 0,015 W /mK. Ad esempio, Spaceloft sviluppato da Aspen Aerogels, Inc. è ​​un pannello flessibile rinforzato con fibre, con una conducibilità termica dichiarata di 0,013 W /mK a 0 ° C; altri pannelli di aerogel sono Cryogel®Z di Aspen, disponibili in 5 mm e 10 mm di spessore e idonei per applicazioni industriali a temperature inferiori; e Thermal-WrapTM, disponibile in 5 e 8 mm di spessore da Cabot Corporation. La conducibilità termica di questi due prodotti è rispettivamente di 0,014 W /mK e 0,023 W /mK.

I principali produttori mondiali di pannelli di aerogel sono Aspen Aerogel, Inc., Cabot Corporation, Svenska Aerogel AB, Acoustiblok UK Ltd., Active Space Technologies e Airglass AB.

I pannelli con aerogel potenziato non mostrano alcuna granularità dell’aerogel, dal momento che le particelle di aerogel sono chimicamente attaccate alla matrice di fibra di vetro mentre la maggior parte delle pannelli di aerogel disponibili in commercio sono realizzati in silice amorfa e di solito sono soggette a fenomeni limitati di polverizzazione .

Tabella 3. Principali proprietà dei diversi tipi di pannelli con aerogel disponibili sul mercato.

Conclusioni

Questo breve sommario ha l’ambizione di riassumere diverse attività di ricerca in corso, che hanno già portato alla produzione di prodotti potenziati con aerogel per la costruzione di sistemi opachi. Una panoramica dei diversi sistemi è stata quindi realizzata con l’intento di fornire un quadro aggiornato dello stato attuale sulle tecniche e i possibili usi dei prodotti potenziati con aerogel. In Europa, diversi progetti di ricerca internazionali sono stati finanziati nell’ambito del programma Horizon 2020, per esaminare nuove formulazioni di materiali da costruzione con aerogel, concentrandosi in particolare sulle prestazioni a lungo termine dei nuovi prodotti, sulla loro resistenza meccanica e conducibilità termica.

Andando avanti, i seguenti tre aspetti sembrano rappresentare le sfide di ricerca più preziose:

1. è necessario sviluppare ulteriormente strati sottili potenziati con aerogel, come rivestimenti e vernici, per ampliare le possibilità di utilizzare l’aerogel negli involucri degli edifici al fine di migliorare l’efficienza termica negli edifici di nuova costruzione così come in interventi di ristrutturazione. A questo proposito, recentemente sono già in via di avanzata sperimentazione vernici e paste a base acquosa con aerogel;

2. ridurre il prezzo, ad esempio, considerando l’utilizzo di processi che non necessito di condizioni supercritiche, e che possano avvenire in condizioni ambientali standard, è un tema fondamentale per garantire maggiori vantaggi competitivi nell’adozione di prodotti con aerogel;
3. monitoraggio continuo delle prestazioni a lungo termine dei prodotti potenziati da aerogel così da fornire agli utilizzatori finali tutte le assicurazioni necessarie circa la resilienza di questi materiali da costruzione innovativi.

BIBLIOGRAFIA

di Prof. Umberto Berardi, BeTOP Lab, Ryerson University, Toronto, Ontario, Canada e Prof. Ing. Massimo Garai, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Universita’ di Bologna

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.