新开发的材料可以阻止太阳热逸散

医学2020-08-26 09:43:48
导读无论是家庭使用还是工业使用的热能,都是现代社会最大的能源消耗者之一。尽管存在这样一个事实,即以太阳的形式存在着大量的自然热源。但

无论是家庭使用还是工业使用的热能,都是现代社会最大的能源消耗者之一。尽管存在这样一个事实,即以太阳的形式存在着大量的自然热源。但是,麻省理工学院(MIT)的科学家已经开发出一种新型材料,该材料可以利用并有效地吸收来自太阳光的热量,从而获得比传统太阳能集热器更高的温度。

这种材料是一种新型的气凝胶,是一种轻质材料,主要由空气组成,其结构由二氧化硅制成,与制造玻璃时使用的材料相同。如ACS Nano杂志所述,该材料可以使阳光通过,但可以阻止太阳热逸散。这种机制使气凝胶产生的温度高于200 C(398 F)。

制作新的透明气凝胶

为了有效地收集太阳能,团队必须创建一种内部会很热而外部却保持冷的材料。传统上,这是通过在玻璃层和深色的吸热材料之间保持真空来完成的。大多数集中式太阳能收集器都使用此方法。但是,尽管这些易于安装,但维护成本相对较高。

同时,气凝胶已经作为高效和轻质的绝缘材料存在了多年。但是,这些通常具有有限的透明度,大多数气凝胶的透射率仅为70%。因此,麻省理工学院的团队必须弄清楚如何制作一种透明的气凝胶,以有效地用作太阳能吸声器。

为了制造这种气凝胶,研究小组将催化剂与液体溶液中的含二氧化硅化合物颗粒混合,形成凝胶,然后将其干燥以除去所有液体。这样就形成了一个矩阵,尽管它主要由空气组成,但仍然保留了原始混合物的强度。在制造材料的过程中,研究小组还发现,制造出比传统气凝胶干燥快得多的混合物,会产生一种在其晶粒之间具有较小孔隙空间的凝胶。这些较小的孔隙空间散射的光线少得多,最多可以吸收95%的阳光。(相关:研究人员已经将衣物废物回收利用为“气凝胶”超材料,可以帮助防止伤口出血。)

然后,团队在麻省理工学院校园的屋顶上测试了凝胶。在那里,他们创造了一种被动装置,该被动装置由吸热材料组成,并覆盖有一层新的气凝胶。在剑桥冬季的中期,外界空气温度低于零摄氏度(32华氏度),新的气凝胶能够保持220摄氏度(428华氏度)的温度。在此之前,只有通过使用镜子将太阳光和热量集中到中心线或点上,才能实现这样的高温。由于不需要这种浓缩,因此采用新型气凝胶进行加热的成本要低得多。这使其对于各种应用程序更加有用。

更高热量的可能应用

简单的屋顶平整太阳能集热器仅产生80 C(176 F),通常用于加热家用水。新型气凝胶所能达到的更高温度使其成为供暖的理想之选,不仅是水,还可能是整个房屋。除家庭用途外,新型气凝胶的大规模应用还可以用于工业用途,有助于制造食品,化学品和其他可能需要高温的物品。

有助于此的事实是,用于制造气凝胶的所有材料都是丰富且廉价的。根据研究人员的说法,气凝胶制造中唯一昂贵的部分是干燥过程,这需要一种称为临界点干燥器的专用设备。该设备可进行非常精确的干燥过程,该过程可从凝胶中提取溶剂,同时保留其纳米级结构。

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