Aerogel: O Isolante Ultra-Leve de Próxima Geração a Impulsionar a Exploração Espacial

Estamos no meio de uma nova corrida para explorar o espaço exterior, e novos materiais estão na vanguarda do avanço tecnológico. Considere as necessidades de um fato espacial. Deve proteger o astronauta das temperaturas extremas do espaço, mas ser o mais fino e leve possível para ajudar na manobrabilidade.

A NASA desenvolveu materiais de isolamento em aerogel para uso na exploração espacial, mas nos últimos anos, os aerogéis tornaram-se comercialmente disponíveis e estão a encontrar usos numa variedade de outras áreas.

Os aerogéis são materiais avançados que, devido à sua estrutura ultra-porosa, permitem aos engenheiros projetar não apenas novo isolamento térmico para fatos e veículos espaciais, mas também filtros, baterias, coletores solares de calor, e mais.

No entanto, "aerogéis" não são um tipo de material. Em vez disso, são uma forma especial de sólido que pode ser feita de sílica, polímeros, óxidos, carbono e outros materiais. Embora os aerogéis sejam sólidos, contêm tantos pequenos vazios, ou "poros", que são maioritariamente compostos de ar.

Neste artigo, responderemos às seguintes perguntas:

• O que é um aerogel?
• Como fazer aerogéis?
• Quais são as propriedades-chave dos aerogéis?
• Quais são as aplicações dos aerogéis?

O que é um aerogel?

Os aerogéis são materiais ultra-porosos, o que significa que embora sejam sólidos, estão cheios de pequenos buracos cheios de ar chamados poros. Esses poros são a chave para as propriedades únicas dos aerogéis. Embora muitos materiais sejam porosos, como espumas e certas cerâmicas, os aerogéis são um caso extremo.

Nos aerogéis, os poros constituem a maior parte do material, resultando num material sólido ultra-leve. Os poros nos aerogéis são também extremamente pequenos, muito menores que um cabelo humano e demasiado pequenos para serem vistos a olho nu. Como resultado, os aerogéis são tão leves e translúcidos que têm alcunhas como "nuvem sólida" e "fumo congelado".

Quais são as propriedades-chave dos aerogéis?

Os aerogéis são tão porosos que até 95% do seu volume é ar, o que lhes concede uma variedade de propriedades invulgares. Entre estas está o facto de estarem entre os materiais mais leves já feitos ou descobertos, o que os torna especialmente úteis em aplicações aeroespaciais onde a poupança de peso é vital.

As propriedades dos aerogéis incluem:

• Densidade extremamente baixa (ver pesquisa Matmatch para baixa densidade)
• Condutividade térmica muito baixa (ver pesquisa Matmatch para baixa condutividade térmica)
• Elevada área de superfície para reações catalíticas ou eletroquímicas
• Translucidez (Ver pesquisa Matmatch para transmitância ótica)

A chave para estas propriedades únicas é o facto de os aerogéis não serem apenas altamente porosos, mas os poros serem também extremamente pequenos — demasiado pequenos para ver com o olho humano. Isto significa que os aerogéis não só beneficiam da baixa condutividade térmica do ar dentro dos poros, mas também o ar não consegue fluir facilmente, o que melhora ainda mais as suas capacidades como isolantes térmicos.

Como fazer aerogéis?

Apesar do seu nome, os aerogéis não são géis, são sólidos altamente porosos que são maioritariamente compostos de ar. Os aerogéis começam como um líquido, são transformados num gel, depois o líquido é removido. As suas estruturas de poros únicas são criadas preservando as estruturas criadas quando minúsculas partículas se ligam na fase líquida. (Ver pesquisa Matmatch para tamanho de partícula pequeno)

O truque é remover o líquido preservando o espaço entre as partículas. Esses espaços tornam-se os poros no aerogel.

O tipo mais comum de aerogéis é feito de sílica pelo processo "Sol-Gel":

1. Um "Sol" é feito misturando minúsculas partículas sólidas com um solvente líquido.
2. O Sol é transformado num "Gel" adicionando um catalisador que liga as partículas entre si, fazendo a mistura solidificar.
3. O solvente líquido é removido por secagem, deixando apenas o aerogel sólido para trás.

O processamento dos aerogéis é vital para criar a sua microestrutura única. Sem os poros ultra-pequenos deixados da sua fase de gel semi-líquido, os aerogéis não teriam tais baixas densidades nem seriam tais excelentes isolantes térmicos.

Quais são as aplicações dos aerogéis?

Os aerogéis não são um material específico, mas sim uma forma de material que foi processado para o tornar extra poroso. Os aerogéis mais comuns são feitos de sílica (dióxido de silício); mas também existem aerogéis feitos de grafeno, óxido de ferro, polímeros, e mais.

Os aerogéis também aparecem numa variedade de formas incluindo tijolos espessos, folhas flexíveis, e revestimentos finos. Os aerogéis podem ser usados numa gama de aplicações, e estão comercialmente disponíveis para uso como isolamento. No entanto, investigadores têm vindo a desenvolver várias outras aplicações tecnológicas para estes materiais notáveis.

Isolamento com aerogel

A baixa condutividade térmica e baixa densidade dos aerogéis tornam-nos num excelente material de isolamento. Como bónus adicional, os aerogéis são tão leves que adicionam mal algum peso à estrutura, o que os torna perfeitos para viagens espaciais porque cada quilograma custa dinheiro para levantar ao espaço. Os aerogéis são também isolantes tão excelentes que podem ser usados em camadas finas onde a flexibilidade é necessária, como em fatos espaciais.

Alguns aerogéis são translúcidos, o que significa que podem ser usados em locais onde isolamentos tradicionais não poderiam, como janelas e painéis solares. Sejam usados para claraboias em edifícios terrestres ou janelas num futuro habitat espacial, os aerogéis transmitem luz mas bloqueiam a transferência de calor.

Isto torna-os ideais para tornar estruturas mais fáceis de aquecer e arrefecer enquanto deixam entrar mais luz natural. Os aerogéis também têm sido usados como revestimentos em coletores solares de calor de próxima geração, onde o aerogel permite a passagem da luz mas impede a fuga de calor.

A capacidade dos aerogéis de parar o fluxo de calor também os torna úteis como forma de camuflagem, e revestimentos de aerogel têm sido testados como forma de esconder de câmaras infravermelhas.

Adsorventes e filtros

Os minúsculos poros dentro dos aerogéis conferem-lhes uma área de superfície específica especialmente elevada, o que significa que uma grande quantidade do material sólido está em contacto com o seu ambiente. Quando os aerogéis são feitos de materiais que atraem e aderem a certas moléculas ou partículas, podem ser usados como filtros e adsorventes que aprisionam substâncias dentro dos poros.

Um parente familiar dos adsorventes de aerogel é o gel de sílica, que é comumente usado como dessecante para remover água do ar. A maioria das pessoas está familiarizada com pacotes de gel de sílica usados para manter alimentos e outros itens secos, em sistemas de ar condicionado, e outras aplicações. Após o gel de sílica ter sido saturado com água, pode ser "recarregado" aquecendo num forno, que vaporiza a água das superfícies dos seus poros deixando-o seco e pronto a usar novamente.

A quantidade de água que pode ser absorvida aumenta com a área de superfície específica. Como os aerogéis têm uma área de superfície específica ainda maior que os géis de sílica tradicionais, os aerogéis oferecem melhorias ainda maiores na sua capacidade de aprisionar humidade.

Aplicações tecnológicas avançadas

A elevada área de superfície específica dos aerogéis significa que têm uma quantidade especialmente grande de material em contacto com o seu ambiente. Isto torna os aerogéis úteis para um grande número de processos químicos e eletroquímicos que podem ser melhorados maximizando a área de contacto entre soluções e substratos sólidos.

Estes incluem servir como catalisadores ou substratos de catalisadores para uma variedade de processos químicos industriais, bem como elétrodos em supercapacitores de próxima geração.

Como os aerogéis são um tipo de estrutura que pode ser feita de uma grande variedade de materiais, investigadores estão constantemente a desenvolver novos aerogéis e novas formas de os usar. À medida que novos materiais adicionais são transformados em aerogéis, eles permitirão novos desenvolvimentos tecnológicos como novos supercapacitores, revestimentos antimicrobianos, almofadas absorventes de derrames de petróleo, implantes ósseos, e mais.

Devido à sua combinação única de baixa condutividade térmica, baixa densidade, elevada área de superfície e translucidez, os aerogéis estão a evoluir para uma gama diversificada de tecnologias de materiais de ponta.