Aerogel: el aislante ultra-ligero de próxima generación que impulsa la exploración espacial

Estamos en medio de una nueva carrera para explorar el espacio exterior, y los nuevos materiales están a la vanguardia del avance tecnológico. Considere las necesidades de un traje espacial. Debe proteger al astronauta de las temperaturas extremas del espacio, pero ser lo más fino y ligero posible para facilitar la maniobrabilidad.

La NASA desarrolló materiales de aislamiento de aerogel para uso en exploración espacial, pero en años recientes, los aerogeles se han vuelto comercialmente disponibles y encuentran usos en una variedad de otras áreas.

Los aerogeles son materiales avanzados que, debido a su estructura ultra-porosa, permiten a los ingenieros diseñar no solo nuevo aislamiento térmico para trajes espaciales y vehículos, sino también filtros, baterías, colectores solares de calor y más.

Sin embargo, «aerogeles» no son un tipo de material. Más bien, son una forma especial de sólido que puede hacerse de sílice, polímeros, óxidos, carbono y otros materiales. Aunque los aerogeles son sólidos, contienen tantos diminutos huecos, o «poros», que están compuestos mayormente de aire.

En este artículo responderemos a las siguientes preguntas:

• ¿Qué es un aerogel?
• ¿Cómo se fabrican los aerogeles?
• ¿Cuáles son las propiedades clave de los aerogeles?
• ¿Cuáles son las aplicaciones de los aerogeles?

¿Qué es un aerogel?

Los aerogeles son materiales ultra-porosos, lo que significa que aunque son sólidos, están llenos de diminutos agujeros llenos de aire llamados poros. Esos poros son la clave de las propiedades únicas de los aerogeles. Aunque muchos materiales son porosos, como espumas y ciertas cerámicas, los aerogeles son un caso extremo.

En los aerogeles, los poros constituyen la mayor parte del material, resultando en un material sólido ultra-ligero. Los poros en los aerogeles son también extremadamente pequeños, mucho más finos que un cabello humano y demasiado diminutos para verse a simple vista. Como resultado, los aerogeles son tan ligeros y translúcidos que tienen apodos como «nube sólida» y «humo congelado».

¿Cuáles son las propiedades clave de los aerogeles?

Los aerogeles son tan porosos que hasta el 95 % de su volumen es aire, lo que les otorga una variedad de propiedades inusuales. Entre ellas está el hecho de que se encuentran entre los materiales más ligeros jamás fabricados o descubiertos, lo que los hace especialmente útiles en aplicaciones aeroespaciales donde el ahorro de peso es vital.

Las propiedades de los aerogeles incluyen:

• Densidad extremadamente baja (ver búsqueda en Matmatch para baja densidad)
• Conductividad térmica muy baja (ver búsqueda en Matmatch para baja conductividad térmica)
• Alta superficie específica para reacciones catalíticas o electroquímicas
• Translucidez (Ver búsqueda en Matmatch para transmitancia óptica)

La clave de estas propiedades únicas es que los aerogeles no solo son altamente porosos, sino que los poros también son extremadamente pequeños —demasiado pequeños para ver con el ojo humano. Esto significa que los aerogeles no solo se benefician de la baja conductividad térmica del aire dentro de los poros, sino que también el aire no puede fluir fácilmente, lo que mejora aún más sus capacidades como aislantes térmicos.

¿Cómo se fabrican los aerogeles?

A pesar de su nombre, los aerogeles no son geles, son sólidos altamente porosos compuestos mayormente de aire. Los aerogeles comienzan como un líquido, se transforman en gel, luego se elimina el líquido. Sus estructuras de poros únicas se crean preservando las estructuras formadas cuando diminutas partículas se unen en la fase líquida. (Ver búsqueda en Matmatch para tamaño de partícula pequeño)

El truco es eliminar el líquido preservando el espacio entre las partículas. Esos espacios se convierten en los poros del aerogel.

El tipo más común de aerogeles se fabrica a partir de sílice mediante el proceso «Sol-Gel»:

1. Se hace un «Sol» mezclando diminutas partículas sólidas con un disolvente líquido.
2. El Sol se convierte en «Gel» añadiendo un catalizador que une las partículas entre sí, solidificando la mezcla.
3. El disolvente líquido se elimina por secado, dejando solo el aerogel sólido.

El procesamiento de los aerogeles es vital para crear su microestructura única. Sin los poros ultra-pequeños heredados de su fase gel semilíquida, los aerogeles no tendrían tales bajas densidades ni serían tan excelentes aislantes térmicos.

¿Cuáles son las aplicaciones de los aerogeles?

Los aerogeles no son un material específico, sino una forma de material procesada para hacerlo extra poroso. Los aerogeles más comunes son de sílice (dióxido de silicio); pero también se han hecho aerogeles de grafeno, óxido de hierro, polímeros y más.

Los aerogeles también aparecen en diversas formas incluyendo ladrillos gruesos, láminas flexibles y recubrimientos finos. Los aerogeles pueden usarse en una gama de aplicaciones y están disponibles comercialmente como aislamiento. Sin embargo, los investigadores han desarrollado varias otras aplicaciones tecnológicas para estos materiales notables.

Aislamiento con aerogel

La baja conductividad térmica y baja densidad de los aerogeles los convierten en un excelente material de aislamiento. Como ventaja adicional, los aerogeles son tan ligeros que apenas añaden peso a la estructura, lo que los hace perfectos para viajes espaciales porque cada kilogramo cuesta dinero lanzarlo al espacio. Los aerogeles también son tan buenos aislantes que pueden usarse en capas finas donde se necesita flexibilidad, como en trajes espaciales.

Algunos aerogeles son translúcidos, lo que significa que pueden usarse donde los aislamientos tradicionales no podrían, como ventanas y paneles solares. Ya sea para lucernarios en edificios terrestres o ventanas en un futuro hábitat espacial, los aerogeles transmiten la luz pero bloquean la transferencia de calor.

Esto los hace ideales para hacer que las estructuras sean más fáciles de calentar y enfriar mientras dejan entrar más luz natural. Los aerogeles también se han usado como recubrimientos en colectores solares de calor de próxima generación, donde el aerogel deja pasar la luz pero impide que el calor escape.

La capacidad de los aerogeles para detener el flujo de calor también los hace útiles como forma de camuflaje, y se han probado recubrimientos de aerogel como forma de ocultarse de cámaras infrarrojas.

Adsorción y filtros

Los diminutos poros dentro de los aerogeles les otorgan una superficie específica especialmente alta, lo que significa que una gran cantidad del material sólido está en contacto con su entorno. Cuando los aerogeles se hacen de materiales que atraen y retienen ciertas moléculas o partículas, pueden usarse como filtros y adsorbentes que atrapan sustancias dentro de los poros.

Un pariente familiar de los adsorbentes de aerogel es el gel de sílice, usado comúnmente como desecante para eliminar agua del aire. La mayoría conoce los paquetes de gel de sílice para mantener alimentos y otros artículos secos, en sistemas de aire acondicionado y otras aplicaciones. Tras saturarse con agua, el gel de sílice puede «recargarse» calentándolo en horno, vaporizando el agua de las superficies de sus poros, dejándolo seco y listo para usar de nuevo.

La cantidad de agua que puede absorberse aumenta con la superficie específica. Como los aerogeles tienen una superficie específica aún mayor que los geles de sílice tradicionales, los aerogeles ofrecen mejoras aún mayores en su capacidad para atrapar humedad.

Aplicaciones tecnológicas avanzadas

La alta superficie específica de los aerogeles significa que tienen una cantidad especialmente grande de material en contacto con su entorno. Esto hace que los aerogeles sean útiles para un gran número de procesos químicos y electroquímicos que pueden mejorarse maximizando el área de contacto entre soluciones y sustratos sólidos.

Estos incluyen servir como catalizadores o soportes de catalizadores para una variedad de procesos químicos industriales, así como electrodos en supercondensadores de próxima generación.

Como los aerogeles son un tipo de estructura que puede hacerse de una amplia variedad de materiales, los investigadores desarrollan constantemente nuevos aerogeles y nuevas formas de usarlos. A medida que nuevos materiales se convierten en aerogeles, permitirán nuevos desarrollos tecnológicos como nuevos supercondensadores, recubrimientos antimicrobianos, almohadillas absorbentes de derrames de petróleo, implantes óseos y más.

Debido a su combinación única de baja conductividad térmica, baja densidad, alta superficie específica y translucidez, los aerogeles están evolucionando hacia una diversa gama de tecnologías de materiales de vanguardia.