Aerogeles; materiales superaislantes térmicos

La industria europea necesita nuevas tecnologías, productos y materiales con el objetivo de reducir y / o minimizar su dependencia energética. La eficiencia energética constituye un medio rentable para obtener una mayor independencia energética para los proveedores externos, para ganar competitividad económica o para lograr reducciones en las emisiones de gases de efecto invernadero.

En los últimos años, la Comisión Europea ha impulsado medidas innovadoras para mejorar la eficiencia energética de Europa y contribuir a los objetivos 40-27-27 [1] para 2030. Las directivas específicas, las etiquetas de energía y las normas para los productos ayudan al ahorro económico. En este contexto el desarrollo de nuevos materiales y productos se hace evidente.

Aerogeles 

Los aerogeles son materiales pertenecientes a la familia de los superaislantes térmicos avanzados.

Son materiales sólidos nano-estructurados, porosos, 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), es decir, su resistencia térmica es superior a la de los materiales aislantes térmicos tradicionales como por ejemplo las espumas de poliestireno, lana de roca etc.

Otras propiedades [2] relevantes de un aerogel son su alta porosidad (típicamente entorno 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); una muy baja constante dieléctrica (k = 1.0–2.0) y bajo índice de refracción (1–1.08).

Este conjunto de propiedades (ligereza, aislamiento térmico…) es el motivo de las múltiples aplicaciones que se están desarrollando para este atractivo material en sectores industriales dispares.

A modo de ejemplo se pueden citar los siguientes: aislante térmico y acústico en el sector de la construcción (p.ej. en fachada por el interior y/o exterior); colector de muestras de polvo cósmico; aislante térmico en la industria química y petrolera; en la industria farmacéutica, cosmética etc.

Los materiales de aislamiento convencionales tienen una conductividad térmica mínima en torno a 0,03 m-1K-1. Sin embargo, muchas aplicaciones industriales y de consumo de energía, tales como la construcción, automotriz, energía (petróleo y gas, almacenamiento de energía) o electrodomésticos, requieren materiales aislantes de menor espesor, que garanticen una mayor eficiencia de resistencia térmica, con el objetivo de optimizar los espacios utilizables, lograr una mayor eficiencia energética y contribuir a la reducción global de CO2.

Por lo tanto, la demanda, por parte de diversos sectores industriales de materiales superaislantes, está creciendo a escala global para lograr productos más competitivos y eficientes. En este contexto, los aerogeles, prometen ser la solución a estos nuevos retos.

Un proceso versátil

Respecto a la fabricación de los aerogeles, el proceso es muy versátil permitiendo la fabricación de aerogeles a partir de diferentes materias primas, es decir, se pueden obtener aerogeles puramente inorgánicos de sílice; poliméricos, de carbón, híbridos, etc. Así mismo, los aerogeles se presentan en diferentes formatos: granos, mantas, polvos, monolito (ver Figura 1).

Figura 1. Imágenes de aerogeles en diferentes formatos: mantas, monolitos, polvo y granos (by TECNALIA R&I).

En la actualidad, el mercado global de los aerogeles ocupa una pequeña porción del mercado global de materiales de aislamiento como consecuencia de su alto coste de producción.

Debido al crecimiento esperado del mercado de aerogel (pasando de los 80 millones de euros actuales a alrededor de 550 millones de euros en Europa y alrededor de 1.896 a escala mundial en 2020), surgen nuevas iniciativas comerciales que pretenden obtener productos de aerogel más eficientes en función de los costes.

Estas estrategias están basadas en:

• precursores más baratos que garantizan un alto rendimiento de los aerogeles finales
• procesos de producción optimizados
• integración de diversas tecnologías
• procesos flexibles
• mejor rendimiento
• estrecha colaboración junto con los usuarios finales.

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.

Este desarrollo conjunto nos ha valido el reconocimiento con la consecución del segundo premio del Business Ideas Competition for Innovation organizado por la EIT Raw Materials (Berlín, 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.

Referencias:
[1] Change our Energy System - Decarbonisation Energy Supply System - A policy framework for climate and energy in the period from 2020 to 2030 – COM(2014) 15 http://ec.europa.eu/clima/policies/2030/documentation_en.htm]
[2] G. M. Pajonk, S. J. Teichner “Proceedings of the first international symposium on Aerogels“ Springer 1985; 193.

 Artículo realizado por Eunate Goiti, Senior Researcher at Tecnalia