Como funciona o aerogel? Explicação Científica

O aerogel é amplamente reconhecido como um dos materiais de isolamento térmico mais eficazes disponíveis atualmente. É usado em construção, equipamentos industriais, aeroespacial e sistemas de energia onde o controle de calor é crítico. Para entender por que o aerogel tem um desempenho tão bom, é necessário observar sua estrutura interna e os princípios científicos por trás do seu comportamento de isolamento.

O que é aerogel?

Aerogel é um sólido poroso sintético derivado de um gel no qual o componente líquido é substituído por gás. Este processo preserva a estrutura interna do gel ao mesmo tempo que remove a maior parte da sua massa. Como resultado, o aerogel é extremamente leve e contém até 95–99% de ar por volume.

Apesar de sua baixa densidade, o aerogel mantém uma rede sólida tri-dimensional, geralmente feita de sílica ou outros materiais inorgânicos. Esta estrutura única é a base de como o aerogel funciona como material de isolamento.

Estrutura Nanoporosa do Aerogel

A chave para o desempenho do aerogel está na sua estrutura nanoporosa. Os poros dentro do aerogel têm normalmente entre 20 e 100 nanômetros de tamanho. Esses poros são muito menores que o caminho livre médio das moléculas de ar.

Por causa disso, as moléculas de ar presas dentro dos poros não podem se mover livremente. Isto limita significativamente a transferência de calor causada pelo movimento do gás, que é uma das principais formas de condução térmica em materiais de isolamento convencionais.

Como o aerogel reduz a transferência de calor

A transferência de calor geralmente ocorre através de três mecanismos: condução, convecção e radiação. O aerogel é eficaz porque minimiza todos os três.

Condução Térmica

Em materiais sólidos, o calor é transferido através da vibração das partículas. A estrutura sólida do Aerogel é extremamente fina e descontínua, o que limita a transferência de calor através da fase sólida. Ao mesmo tempo, o ar preso dentro dos poros tem uma condutividade térmica muito baixa.

A combinação de uma rede sólida fraca e ar confinado resulta em uma condutividade térmica geral extremamente baixa.

Supressão de Convecção

A convecção requer espaço para a circulação de ar ou gás. Os nanoporos do aerogel são muito pequenos para permitir a formação de correntes de convecção. Como resultado, a transferência de calor por convecção é quase completamente eliminada.

Esta é uma grande vantagem em relação aos materiais de isolamento tradicionais com poros maiores.

Controle de radiação térmica

Alguns produtos de aerogel incluem opacificadores infravermelhos, que reduzem a transferência de calor por radiação. Estes aditivos dispersam ou absorvem a energia infravermelha, melhorando ainda mais o desempenho do isolamento, especialmente em temperaturas mais elevadas.

Por que o Aerogel tem um desempenho melhor que o isolamento tradicional

Comparado a materiais como lã mineral ou fibra de vidro, o aerogel atinge o mesmo desempenho de isolamento com uma espessura muito menor. Isto o torna especialmente útil em aplicações onde o espaço e o peso são limitados.

Além disso, o aerogel costuma ser hidrofóbico, o que significa que resiste à absorção de umidade. Isto ajuda a manter um desempenho de isolamento estável ao longo do tempo.

Conclusão

O aerogel funciona devido à sua estrutura nanoporosa única, que restringe a transferência de calor por condução, convecção e radiação. Ao combinar baixa densidade de sólidos com ar retido em nanoescala, o aerogel oferece isolamento térmico excepcional em um formato compacto.

Esses princípios científicos explicam por que o aerogel é cada vez mais usado em aplicações de isolamento de alto-desempenho em vários setores.