Aerogel: una Rivoluzione nel mondo dell’isolamento 

19 Marzo 2024

L’incessante ricerca di soluzioni innovative e sostenibili nel campo dell’architettura e dell’ingegneria ci porta alla scoperta di materiali che ridefiniscono i confini dell’innovazione. Tra questi, l’aerogel spicca per le sue proprietà straordinarie, rappresentando una delle più significative rivoluzioni nel settore dei materiali isolanti. Scoperto nel 1931 da Steven Kistler, l’aerogel ha attraversato un percorso di evoluzione e miglioramento continuo ; la definizione proposta recentemente da A. Eychmüller lo identifica come un solido caratterizzato da una struttura porosa ultra-leggera, con porosità superiore al 95% e una fase dispersa gassosa. Questo materiale speciale, noto per la sua straordinaria leggerezza, porosità elevata, ampie superfici specifiche, bassa conducibilità termica e notevole trasparenza, si ottiene sostituendo il liquido in un gel umido con aria. Le particelle nanometriche di silice che lo compongono formano una rete tridimensionale unica.

L’aerogel si distingue per le sue applicazioni versatili, che vanno oltre l’edilizia, dove funge da materiale isolante termico e acustico, a settori che includono l’automobilismo, l’ottica e la biomedicina, l’ammortizzazione degli urti, lo stoccaggio dei rifiuti nucleari, le batterie e i catalizzatori evidenziando una versatilità che attraversa diversi ambiti industriali. L’Accordo di Parigi ha catalizzato l’attenzione globale sulla necessità di soluzioni a basso consumo energetico e a bassa emissione di carbonio, con l’aerogel che si posiziona come candidato ideale per contribuire significativamente a raggiungere gli obiettivi di sostenibilità. Con circa il 40% del consumo energetico e il 36% delle emissioni di CO2 nell’UE attribuibili agli edifici, e una prevalenza di strutture inefficienti dal punto di vista energetico, l’aerogel offre una soluzione promettente per la risoluzione di diverse problematiche.

L’aerogel si distingue per una composizione quasi eterea: una struttura solida che racchiude al suo interno il 96% di aria, rendendola estremamente leggera grazie al residuo 4% costituito da silice. Tuttavia, la sua limitata resistenza a trazione, che gli ha valso il soprannome di “fumo ghiacciato”, richiede che sia integrato in materiali di supporto come il vetro o plastici, limitando il suo impiego diretto come sostituto del vetro stesso.

L’aerogel ha una densità compresa tra 0,25 g/cm³ (aerogel a bassa densità) e 0,8 g/cm³ (aerogel ad alta densità) di poco superiore rispetto alla lana di vetro, ma molto inferiore rispetto al sughero. La sua conduttività termica, è molto bassa, all’incirca di 0.015-0.021 W/mK ed insieme alla schiuma fenolica, è uno degli isolanti termici migliori al mondo. 

Presente sia in forma granulare, con una trasparenza ridotta ma un eccellente isolamento termico, sia in forma monolitica, che mantiene la trasparenza senza compromettere l’isolamento, l’aerogel si articola in diverse tipologie sul mercato:

• Aerogel di Silice: Predominante per le sue superiori capacità isolanti e resistenza al fuoco, si presenta con una conducibilità termica (lambda) che oscilla tra 0.020 e 0.023 W/mK. Nonostante i costi di produzione più elevati, offre stabilità chimica e prestazioni di isolamento termico insuperabili.
• Aerogel di Cellulosa: Versione eco-sostenibile dell’aerogel di silice, si ottiene integrando l’aerogel con residui di carta. Presenta una bassissima conducibilità termica ed è idrorepellente, vantaggi che si sommano alla sua sostenibilità e resistenza al fuoco. La disponibilità di cellulosa a costi ridotti ne fa un’opzione economicamente vantaggiosa.
• Aerogel di Fibra di Riso (Oryza Aerogel): Innovativo materiale che combina l’aerogel con fibre naturali rinforzate, offrendo flessibilità, eccellenti proprietà isolanti e sostenibilità. Disponibile in pannelli ultra-sottili, rappresenta una soluzione ideale per applicazioni dove il peso e lo spessore sono critici.
• Aerogel a base di metalli: sono meno comuni e sono realizzati da metalli o leghe al posto della silice. Questi materiali combinano la leggerezza e la porosità degli aerogel con le proprietà uniche dei metalli, come la conducibilità elettrica e termica. Possono essere utilizzati in applicazioni che richiedono materiali leggeri ma conduttivi, come componenti per batterie ad alta efficienza e sensori.
• Aerogel polimerici: sono realizzati da polimeri organici e presentano una combinazione unica di leggerezza, flessibilità e resistenza. Sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, che vanno dall’isolamento termico alla fabbricazione di dispositivi elettronici flessibili e indossabili.
• Aerogel di ceramiche: sono realizzati da materiali ceramici e sono noti per la loro resistenza alle alte temperature e alla corrosione. Queste proprietà li rendono adatti per applicazioni in ambienti estremi, come l’isolamento termico di motori a reazione e il rivestimento protettivo per veicoli spaziali.

I vantaggi dell’aerogel sono molteplici: dalla ridottissima trasmittanza termica, che lo rende un isolante senza rivali, alla possibilità di essere impiegato in spessori minimi, ideale per la riqualificazione energetica in spazi ristretti. La facilità di installazione e la sua natura riciclabile evidenziano ulteriormente il suo contributo alla sostenibilità ambientale.

Tuttavia, l’aerogel non è privo di sfide. La sua fragilità strutturale e i costi di produzione elevati rappresentano ostacoli significativi alla sua diffusione su larga scala, particolarmente in applicazioni dove la trasparenza è cruciale. Il suo costo, a causa del processo di fabbricazione complesso e delicato, si aggira fra i 40 e i 400 €/m², in base allo spessore e densità. Per avere un confronto, la lana di vetro costa solamente 6-7 €/m² circa. Altre problematiche includono la riduzione della trasmittanza luminosa, che, in alcuni casi si attesta intorno al 25-30%, distorsioni visive e una resa cromatica non sempre ottimale. Questi limiti, insieme ai costi produttivi elevati, rappresentano sfide da superare per massimizzare l’utilizzo dell’aerogel e sfruttare appieno le sue potenzialità.

La ricerca e lo sviluppo giocano un ruolo fondamentale nel futuro di questa tipologia di materiali con studi incentrati sul superamento delle attuali limitazioni tecniche e economiche. L’obiettivo è rendere questo materiale più accessibile e praticabile, esplorando fonti sostenibili per la sua produzione, come l’utilizzo di cellulosa e fibre di riso. Questi sforzi mirano a creare varianti di aerogel più ecocompatibili e a costi ridotti, allargando così le possibilità di applicazione e rendendolo una soluzione ancora più attrattiva per l’industria e gli usi commerciali.

Le innovazioni nei processi produttivi dell’aerogel puntano anche a migliorarne la resistenza strutturale attraverso l’incorporazione di nuovi compositi e all’ottimizzazione delle tecniche di fabbricazione aprendo a un ventaglio di utilizzi più ampio.

Potenziali futuri sviluppi vedono il suo utilizzo in settori emergenti come l’energia rinnovabile, dove potrebbe giocare un ruolo chiave nell’isolamento termico di pannelli solari e turbine eoliche, contribuendo così alla produzione di energia più efficiente e sostenibile. Inoltre, l’interesse verso l’aerogel nel campo della purificazione dell’acqua e del sequestro della CO² sottolinea la sua rilevanza in iniziative volte al miglioramento dell’ambiente e alla lotta contro il cambiamento climatico.

L’aerogel si pone dunque come una frontiera nell’ingegneria dei materiali, offrendo soluzioni innovative per un’ampia gamma di applicazioni. La sua straordinaria combinazione di leggerezza, isolamento termico e acustico, e resistenza al fuoco lo rende un candidato ideale per affrontare alcune delle sfide più pressanti in termini di efficienza energetica e sostenibilità, del futuro.

Bibliografia essenziale

• Aerogel, a high performance material for thermal insulation – A brief overview of the building applications
• Aerogel production: Current status, research directions, and future opportunities
• Aerogels in Aerospace: An Overview
• Aerogels: Unique material, fascinating properties and unlimited applications
• Preparation and evaluation of Au nanoparticle–silica aerogel nanocomposite

Sitografia

• https://www.geopop.it/aerogel-cose-e-come-si-produce/
• https://www.mdpi.com/2071-1050/14/5/2887
• https://solarinnovations.com/lumira-aerogel/
• https://aeropan.it/en/aerogel-en

Autore Alberto Forte