Los aerogeles: aire atrapado en poros de tamaño nanométrico

Los aerogeles: aire atrapado en poros de tamaño nanométrico

5 septiembre, 2017 Eunate Goiti Ugarte

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Dos investigadores de la Universidad de Standford (EEUU), Samuel S. Kistler y Charles Learned realizaron una apuesta que consistía en ver quién era capaz de remover la fase líquida de un gel sin que este perdiera su estructura característica, es decir, la red interna de poros. Kistler fue el primero en conseguirlo y publicó sus resultados en 1931 en la prestigiosa revista Nature. Así es como se obtuvo el primer aerogel. 

Este nuevo material pasó prácticamente inadvertido hasta la década de los 80, cuando los intentos de Stanislas Teichner (Universidad Claud Bernard, Lyon) para confinar combustible de cohetes en aerogel de silicio supusieron el redescubrimiento del aerogel. A partir de ahí, las propiedades de los aerogeles atrajeron de nuevo el interés de los investigadores tanto a nivel académico como industrial, dando lugar a nuevos desarrollos y métodos de fabricación y nuevas estrategias técnicas y comerciales.

Los aerogeles son materiales pertenecientes a la familia de los superaislantes térmicos avanzados. Son sólidos nano-estructurados, coloidales y amorfos con una estructura entrecruzada que da lugar a una red abierta de nanoporos. Como consecuencia de esta red interna de nanoporos se produce un efecto denominado Knudsen, el cual provoca que los aerogeles sean los sólidos con el menor valor de conductividad térmica a presión ambiental (λ< 0,018Wm-1K-1). Por consiguiente, su resistencia térmica es superior a la de los materiales aislantes térmicos tradicionales como por ejemplo las espumas de poliestireno, lana de roca etc.

Las propiedades más relevantes de un aerogel son su alta porosidad (en torno al 90 % de su volumen es aire); como consecuencia, su baja densidad (el aerogel de sílice puede alcanzar valores de densidad de hasta 0.003g/cm3, es decir, tres veces superior a la densidad del aire a temperatura ambiente); una superficie especifica alta (alrededor de 800 m2 por cada gramo de aerogel). Este conjunto de propiedades (ligereza, aislamiento térmico…) es el motivo de las múltiples aplicaciones que se están desarrollando para este fascinante material en sectores industriales dispares. A modo de ejemplo se pueden citar los siguientes: aislante térmico y acústico en el sector de la construcción; detector de la radiación de Cherenkov; colector de muestras de polvo cósmico; aislante térmico en la industria química y petrolera; en la industria farmacéutica, cosmética…

Respecto a la fabricación de los aerogeles, el proceso es muy versátil y consta de dos etapas principales: mediante una tecnología denominada sol-gel se produce la formación de un gel y una segunda etapa de secado que consiste en substituir el líquido que se encuentra dentro del gel por aire sin que la estructura del gel colapse. Esta segunda etapa es la más crítica. Además este proceso cuenta con la gran ventaja de que permite la fabricación de aerogeles a partir de diferentes materias primas: se pueden obtener aerogeles puramente inorgánicos de sílice; poliméricos, de carbón, híbridos, etc.

Sin embargo, a pesar de las excelentes prestaciones que estos materiales presentan, su penetración en el mercado ha sido muy limitado. Actualmente, el coste de los aerogeles resulta 10 veces superior al de los aislantes tradicionales lo que ha provocado que su uso haya estado muy restringido. Este alto coste viene condicionado por varios factores críticos: materias primas de elevado coste, procesos de producción complejos, procesos de secados largos y costosos económicamente.

Informes recientes, relativos a tendencias de mercado y pronósticos en lo que respecta a los aerogeles, indican un crecimiento global estimado en 1896.6 millones para el 2020. Esta tendencia se atribuye a la combinación de materias primas de menor coste y tecnologías de procesado más eficientes, que reducirán el precio de fabricación de forma considerable.

Actualmente, los productores más importantes de aerogeles siguen siendo dos empresas estadounidenses: CABOT y ASPEN AEROGELS, respectivamente. Están surgiendo nuevas iniciativas empresariales tanto en Europa como en Asia, reflejo del crecimiento de mercado que estos materiales superaislantes están sufriendo. Estas nuevas iniciativas empresariales tienen como objetivo el desarrollo de productos de aerogel más eficientes a través de procesos de coste efectivo.

Para ello se están empleando diversas estrategias:

  • Precursores más baratos, que garantizan un alto rendimiento en la fabricación de los aerogeles
  • Procesos de secado optimizados
  • La integración de diversas tecnologías de producción
  • Procesos flexibles
  • Mejorar el rendimiento
  • Una estrecha colaboración con los usuarios finales

Algunos proyectos científicos recientes han abordado algunos de los puntos mencionados. Todavía existe la necesidad de demostrar la fiabilidad, la rentabilidad y la mejora de las condiciones industriales relevantes a través de líneas de fabricación optimizadas. Consideramos que el despegue de este nuevo material vendrá condicionado en cierta medida por los siguientes aspectos:

  • Nuevos materiales y nuevos procesos de fabricación para disminuir costes de producción del aerogel
  • Mejoras en sus propiedades
  • Nuevas aplicaciones en sectores alternativos
  • Crecimiento industrial después de la reciente crisis económica global
  • Medidas más exigentes en términos de Eficiencia energética y Protección Medioambiental

Un nuevo material superaislante, innovador, sostenible y competitivo

En TECNALIA consideramos que existe una ventana de oportunidad para desarrollar aerogeles de coste efectivo que puedan ser aceptados por diferentes sectores industriales de forma masiva. Junto a la  compañía francesa KEEY AEROGEL hemos desarrollado un nuevo proceso que permite la fabricación de un aerogel altamente competitivo basándose en un proceso productivo sostenible e innovador, partiendo de una materia prima de muy bajo coste que incluye material reciclado con alto contenido en sílice. Esta  gran revolución supone un ahorro en costes de producción de este material cercano al 60 %, fruto de este proceso pionero que permite integrar conceptos de economía circular, producción de precursores de bajo coste, optimización energética en proceso, así como minimización de costes logísticos.

Hemos obtenido con este desarrollo el segundo premio del Business Ideas Competition for Innovation organizado por la EIT Raw Materials (Berlin Mayo 2017). Además de este galardón, también hemos conseguido uno de los tres premios concedidos en el World Materials Forum celebrado en Nancy (Francia) a finales de junio.

Los beneficiarios de esta nueva tecnología incluye a empresas del sector de oil/gas, fabricantes de productos de aislamiento térmico y acústico, fabricantes de productos de construcción, entre otros, quienes conseguirán reducir de forma importante el consumo energético y conseguirán un mayor aprovechamiento de los recursos.

Continuaremos generando ideas, aunarndo esfuerzos e ilusión para la consecución de nuevos retos y superar todas las barreras para conseguir que todos podamos “disfrutar” de las prestaciones y ventajas que los aerogeles presentan.

Sobre Eunate Goiti Ugarte

Doctora en Ciencias Químicas por la Universidad de Salford (Reino Unido). Cursó sus estudios de Licenciatura en Ciencias Químicas en la Universidad del País Vasco. Tuvo una estancia post-doctoral de 3 años en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC. Anteriormente trabajo como investigadora en el Plastic and Technology Research Centre de Dow Chemical, en Holanda.

En el año 2007 se incorporó en la División de Construcción Sostenible de TECNALIA (antiguo LABEIN) como investigadora científica y gestora de proyectos de I+D+i enfocados, sobretodo, al desarrollo de (nano)materiales para su aplicación en la construcción. En este sentido, se ha especializado en la química sol-gel para el desarrollo de recubrimientos, nanopartículas y materiales nanoestructurados.

Desde hace siete años, lidera la línea de investigación enfocada al desarrollo de aerogeles y su aplicación en materiales y componentes de construcción. En este sentido, ha coordinado y participado en diversos proyectos europeos, nacionales, etc. Así mismo, es autora de trabajos científicos en revistas SCI y ha participado en diversos congresos.

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