Aérogel : l'isolant ultra-léger de nouvelle génération propulsant l'exploration spatiale

Nous sommes au milieu d'une nouvelle course pour explorer l'espace extra-atmosphérique, et de nouveaux matériaux sont à l'avant-garde de l'avancement technologique. Considérez les besoins d'une combinaison spatiale. Elle doit protéger l'astronaute des températures extrêmes de l'espace, tout en étant aussi fine et légère que possible pour faciliter la manœuvrabilité.

La NASA a développé des matériaux d'isolation en aérogel pour l'exploration spatiale, mais ces dernières années, les aérogel sont devenus disponibles commercialement et trouvent des utilisations dans une variété d'autres domaines.

Les aérogel sont des matériaux avancés qui, grâce à leur structure ultra-poreuse, permettent aux ingénieurs de concevoir non seulement de nouveaux isolants thermiques pour les combinaisons et véhicules spatiaux, mais aussi des filtres, batteries, capteurs solaires thermiques, et plus.

Cependant, les « aérogel » ne sont pas un type de matériau. Ce sont plutôt une forme spéciale de solide qui peut être fabriquée à partir de silice, polymères, oxydes, carbone et autres matériaux. Bien que les aérogel soient solides, ils contiennent tant de minuscules vides, ou « pores », qu'ils sont principalement composés d'air.

Dans cet article, nous répondrons aux questions suivantes :

• Qu'est-ce qu'un aérogel ?
• Comment fabriquer des aérogel ?
• Quelles sont les propriétés clés des aérogel ?
• Quelles sont les applications des aérogel ?

Qu'est-ce qu'un aérogel ?

Les aérogel sont des matériaux ultra-poreux, ce qui signifie que bien qu'ils soient solides, ils sont pleins de minuscules trous remplis d'air appelés pores. Ces pores sont la clé des propriétés uniques des aérogel. Bien que de nombreux matériaux soient poreux, comme les mousses et certaines céramiques, les aérogel sont un cas extrême.

Dans les aérogel, les pores constituent la majeure partie du matériau, résultant en un matériau solide ultra-léger. Les pores dans les aérogel sont aussi extrêmement petits, bien plus petits qu'un cheveu humain et trop minuscules pour être vus à l'œil nu. En conséquence, les aérogel sont si légers et translucides qu'ils ont des surnoms comme « nuage solide » et « fumée gelée ».

Quelles sont les propriétés clés des aérogel ?

Les aérogel sont si poreux que jusqu'à 95 % de leur volume est de l'air, ce qui leur confère une variété de propriétés inhabituelles. Parmi celles-ci, le fait qu'ils sont parmi les matériaux les plus légers jamais fabriqués ou découverts, ce qui les rend particulièrement utiles dans les applications aérospatiales où l'économie de poids est vitale.

Les propriétés des aérogel incluent :

• Densité extrêmement faible
• Conductivité thermique très faible
• Grande surface spécifique pour réactions catalytiques ou électrochimiques
• Translucidité

La clé de ces propriétés uniques est le fait que les aérogel ne sont pas seulement hautement poreux, mais que les pores sont aussi extrêmement petits — trop petits pour être vus par l'œil humain. Cela signifie que les aérogel bénéficient non seulement de la faible conductivité thermique de l'air à l'intérieur des pores, mais l'air ne peut pas non plus circuler facilement, ce qui renforce encore leurs capacités d'isolants thermiques.

Comment fabriquer des aérogel ?

Malgré leur nom, les aérogel ne sont pas des gels, ce sont des solides hautement poreux qui sont principalement composés d'air. Les aérogel commencent comme un liquide, sont transformés en gel, puis le liquide est retiré. Leurs structures de pores uniques sont créées en préservant les structures créées quand de minuscules particules se lient entre elles en phase liquide.

L'astuce est de retirer le liquide tout en préservant l'espace entre les particules. Ces espaces deviennent les pores dans l'aérogel.

Le type le plus courant d'aérogel est fabriqué à partir de silice par le procédé « Sol-Gel » :

1. Un « Sol » est fabriqué en mélangeant de minuscules particules solides avec un solvant liquide.
2. Le Sol est transformé en « Gel » en ajoutant un catalyseur qui lie les particules entre elles, provoquant la solidification du mélange.
3. Le solvant liquide est retiré par séchage, ne laissant que l'aérogel solide derrière.

Le traitement des aérogel est vital pour créer leur microstructure unique. Sans les pores ultra-petits laissés par leur phase de gel semi-liquide, les aérogel n'auraient pas de telles faibles densités ni ne seraient de tels excellents isolants thermiques.

Quelles sont les applications des aérogel ?

Les aérogel ne sont pas un matériau spécifique, ce sont plutôt une forme de matériau qui a été traitée pour le rendre extra poreux. Les aérogel les plus courants sont faits de silice (dioxyde de silicium) ; mais il y a aussi eu des aérogel faits de graphène, oxyde de fer, polymères, et plus.

Les aérogel apparaissent aussi sous une variété de formes incluant briques épaisses, feuilles flexibles et revêtements minces. Les aérogel peuvent être utilisés dans une gamme d'applications, et sont commercialement disponibles pour une utilisation comme isolation. Cependant, les chercheurs ont développé plusieurs autres applications technologiques pour ces matériaux remarquables.

Isolation par aérogel

La faible conductivité thermique et faible densité des aérogel en font un excellent matériau d'isolation. En bonus, les aérogel sont si légers qu'ils ajoutent à peine du poids à la structure, ce qui les rend parfaits pour les voyages spatiaux car chaque kilogramme coûte de l'argent à lancer dans l'espace. Les aérogel sont aussi d'excellents isolants qu'ils peuvent être utilisés en couches minces où la flexibilité est nécessaire, comme dans les combinaisons spatiales.

Certains aérogel sont translucides, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés dans des endroits où les isolations traditionnelles ne le pouvaient pas, comme les fenêtres et panneaux solaires. Qu'ils soient utilisés pour des puits de lumière dans des bâtiments terrestres ou les fenêtres d'un futur habitat spatial, les aérogel laissent passer la lumière mais bloquent le transfert de chaleur.

Cela les rend idéaux pour rendre les structures plus faciles à chauffer et refroidir tout en laissant entrer plus de lumière naturelle. Les aérogel ont aussi été utilisés comme revêtements dans les collecteurs solaires thermiques de nouvelle génération, où l'aérogel laisse passer la lumière mais empêche la chaleur de s'échapper.

La capacité des aérogel à arrêter le flux de chaleur les rend aussi utiles comme forme de camouflage, et des revêtements d'aérogel ont été testés comme moyen de se cacher des caméras infrarouges.

Adsorbants et filtres

Les minuscules pores à l'intérieur des aérogel leur accordent une surface spécifique particulièrement élevée, ce qui signifie qu'une grande quantité du matériau solide est en contact avec son environnement. Quand les aérogel sont faits de matériaux qui attirent et collent à certaines molécules ou particules, ils peuvent être utilisés comme filtres et adsorbants qui piègent les substances à l'intérieur des pores.

Un parent familier des adsorbants d'aérogel est le gel de silice, couramment utilisé comme déshydratant pour retirer l'eau de l'air. La plupart des gens connaissent les sachets de gel de silice utilisés pour garder les aliments et autres articles au sec, dans les systèmes de climatisation, et d'autres applications. Après que le gel de silice a été saturé d'eau, il peut être « rechargé » en le chauffant au four, ce qui vaporise l'eau des surfaces de ses pores, le laissant sec et prêt à être réutilisé.

La quantité d'eau qui peut être absorbée augmente avec la surface spécifique. Comme les aérogel ont une surface spécifique encore plus élevée que les gels de silice traditionnels, les aérogel offrent des améliorations encore plus grandes dans leur capacité à piéger l'humidité.

Applications technologiques avancées

La grande surface spécifique des aérogel signifie qu'ils ont une quantité particulièrement importante de matériau en contact avec leur environnement. Cela rend les aérogel utiles pour un grand nombre de processus chimiques et électrochimiques qui peuvent être améliorés en maximisant la zone de contact entre les solutions et les substrats solides.

Cela inclut servir de catalyseurs ou supports de catalyseurs pour une variété de processus chimiques industriels ainsi que d'électrodes dans des supercondensateurs de nouvelle génération.

Parce que les aérogel sont un type de structure qui peut être fabriquée à partir d'une grande variété de matériaux, les chercheurs développent constamment de nouveaux aérogel et de nouvelles façons de les utiliser. À mesure que de nouveaux matériaux supplémentaires sont transformés en aérogel, ils permettront de nouveaux développements technologiques comme de nouveaux supercondensateurs, revêtements antimicrobiens, tampons absorbant les marées noires, implants osseux, et plus.

Grâce à leur combinaison unique de faible conductivité thermique, faible densité, grande surface spécifique et translucidité, les aérogel évoluent vers une gamme diversifiée de technologies de matériaux de pointe.