La « fumée gelée » rend les briques de verre solides et super isolantes

Comment un matériau inventé dans les années 1930 pourrait révolutionner la façon dont nous construisons des bâtiments

La mission stardust de la NASA a réussi à collecter la poussière de la queue d'une comète et à la renvoyer sur Terre. ... [+] L'aérogel utilisé comme milieu de collecte a été développé au JPL. Sur cette photo de 2002, le Dr Peter Tsou avec son plateau utilisé lors des essais en vol du vaisseau Stardust; identique à celui utilisé sur Stardust. (Photo de Ken Hively/Los Angeles Times via Getty Images)

En 1999, la NASA a lancé un vaisseau spatial avec une mission ambitieuse - collecter des échantillons de poussière de la queue d'une comète lointaine et renvoyer certains de ces échantillons sur Terre. Un an après son lancement depuis Cap Canaveral, le vaisseau spatial Stardust a collecté ses premières particules de poussière interstellaire. Quatre ans plus tard, il atteint sa cible – la comète 81P/Wild, parfois appelée Wild 2 – et déploie son collecteur d'échantillons. Décrit comme ressemblant à "… un bac à glaçons en métal placé dans une raquette de tennis surdimensionnée", le composant principal du collecteur était un aérogel de silice, une mousse extraordinaire, légère et translucide. Lorsqu'une particule de poussière a frappé l'aérogel, elle s'y est enfouie, ralentissant doucement jusqu'à s'arrêter. L'aérogel a maintenu les particules en place, les préservant. Lorsque la capsule de retour d'échantillon est finalement revenue sur Terre en 2006, elle contenait des dizaines de milliers de particules, permettant aux chercheurs et aux membres du public d'étudier certains des éléments constitutifs de notre système solaire.

Inventés plus de six décennies plus tôt, les aérogels comptent parmi les matériaux solides les plus légers jamais connus. Bien qu'ils puissent être fabriqués à partir de divers composés chimiques, ceux à base de silice sont les plus courants. Pour en fabriquer un, vous combinez du dioxyde de silicium avec un solvant, produisant un gel humide et poreux structurellement similaire au Jell-O (mais ne vous y trompez pas, il n'est pas comestible*). Vous le soumettez ensuite à un processus appelé séchage supercritique, par lequel vous pressurisez et chauffez le gel en présence d'un fluide (par exemple, du dioxyde de carbone). Lorsque cela est fait correctement, cela élimine le liquide du gel et le remplace par de l'air, sans endommager la structure. Le cadre solide mais à très faible densité du gel est laissé pour compte, ce qui donne aux aérogels l'apparence fantomatique pour laquelle ils sont célèbres. Les aérogels de silice ont reçu des surnoms tels que «fumée gelée» et «nuage solide», et avec une porosité comprise entre 90 et 99,8%, les aérogels sont vraiment principalement de l'air. Cela les rend non seulement super légers; cela signifie également qu'ils peuvent être des isolants thermiques efficaces.

Et c'est là que les aérogels de silice ont été le plus utilisés ici sur Terre.

Rendre les bâtiments plus éconergétiques est un élément clé de notre transition vers un avenir à faible émission de carbone. L'état actuel du secteur n'est pas bon. Selon l'Agence internationale de l'énergie, l'exploitation des bâtiments représente 30 % de la consommation mondiale d'énergie. Et le Programme des Nations Unies pour l'environnement affirme qu'au lieu de diminuer ces dernières années, cette proportion continue de croître ; la demande énergétique des bâtiments a augmenté d'environ 4 % entre 2020 et 2021, soit la plus forte augmentation des 10 dernières années.

Cela a été en partie dû à la croissance des populations urbaines - plus de personnes, plus de bâtiments - mais il semble également avoir été influencé par notre obsession pour les grands gratte-ciel recouverts de verre.

L'isolation contribue à améliorer les performances thermiques d'un bâtiment. Photographe : Sergio Flores/Bloomberg

La conception de l'enveloppe d'un bâtiment (son enveloppe extérieure) et les matériaux utilisés pour sa construction ont un impact énorme sur la consommation d'énergie finale du bâtiment. Les murs, les sols, les plafonds, les fenêtres, les cages d'escalier, les portes, les cages d'ascenseur et la toiture se combinent pour dicter les performances thermiques de l'ensemble de la structure. Cela définit à son tour le coût qui sera impliqué dans le maintien de températures intérieures confortables une fois que le bâtiment est occupé**.

Augmenter les performances thermiques passe généralement par une augmentation de l'épaisseur de votre isolation. Ce n'est pas un problème pour les murs opaques en béton, en bois ou en brique. Il existe d'innombrables matériaux isolants sur le marché, y compris ceux fabriqués à partir de déchets, et d'autres fabriqués à partir d'aérogel.

La première fois que des aérogels ont été utilisés dans des projets de construction, c'était il y a plus de vingt ans. L'approche la plus courante à l'époque, comme aujourd'hui, consistait à combiner le matériau avec des fibres de verre, minérales ou de carbone pour créer des couvertures ultra-isolantes pouvant être installées derrière les murs et les plafonds. Plus récemment, les fabricants ont commencé à tirer parti des propriétés optiques de l'aérogel ; en prenant en sandwich de petites pastilles entre des panneaux de polycarbonate renforcé pour former des panneaux translucides non porteurs pouvant être intégrés dans des bâtiments. Ces panneaux d'aérogel peuvent maintenant être trouvés dans les écoles, les musées, les centres sportifs, les églises, les hôpitaux, les arènes et les aéroports du monde entier. Ce qui les rend si utiles, c'est leur combinaison unique de propriétés. Leur translucidité signifie qu'ils laissent passer la lumière du jour, mais leur faible conductivité thermique signifie qu'ils minimisent les pertes de chaleur.

Un nouvel article, publié cette semaine dans le Journal of Building Engineering semble avoir ajouté une autre propriété à cette liste : la résistance structurelle.

Des chercheurs du Laboratoire fédéral suisse pour la science et la technologie ont conçu une nouvelle brique de verre remplie d'aérogel de silice qui, selon eux, possède les performances d'isolation les plus élevées jamais signalées. De plus, leurs briques sont plusieurs fois plus résistantes que les blocs isolants en argile standard.

Ces briques remplies d'aérogel laissent passer une lumière diffuse tout en agissant comme une isolation thermique efficace ... [+]

Les « aérobriques » ont trois composants principaux : le verre flotté standard, l'époxy et l'aérogel. Le verre forme la majeure partie de la structure - leur prototype le plus performant utilise quatre pièces en verre. L'époxy est utilisé pour sceller les bords extérieurs de la brique. Il est également moulé pour former des entretoises en forme de zigzag qui relient les vitres entre elles, formant des cavités qui peuvent ensuite être remplies de granulés d'aérogel. La brique finale mesurait 50 × 13,6 x 8,4 cm [env. 20 x 5 x 3 pouces]

Bien qu'ils n'aient pas mesuré directement la transmissivité de leurs briques de verre remplies d'aérogel, ils ont pu l'estimer en fonction de ses composants individuels. Ils disent que > 38 % de la lumière visible passe à travers les briques, ce qui est inférieur aux offres commerciales actuelles. En d'autres termes, un mur réalisé avec ces briques est susceptible de transmettre un peu moins de lumière que des panneaux en polycarbonate remplis d'aérogel.

Les autres résultats de l'équipe étaient plus prometteurs.

Ils ont mesuré les performances thermiques de la brique (et d'un mur simulé de six rangées de briques) à l'aide d'une plaque chauffante gardée à grande échelle. Ils ont également réalisé une simulation de la brique à l'aide d'un logiciel d'analyse thermique. Les résultats ont montré une concordance assez proche – la conductivité thermique mesurée était de 53,0 mW/(m·K) et la valeur simulée était de 50,5 mW/(m·K). Cela les rend plus isolants que tout ce qui est "… rapporté dans la littérature ou disponible sur le marché". Ils retiennent encore mieux la chaleur que de nombreux matériaux isolants opaques.

Pour comprendre la résistance de chaque brique, ils en ont placé une dans un testeur de compression, qui est une machine qui applique de grandes quantités de force à un matériau, l'augmentant progressivement jusqu'à ce que le matériau se brise. Ce test a montré que les briques avaient une résistance à la compression de près de 45 MP, ce qui suggère que, contrairement aux panneaux en polycarbonate, elles conviendraient à une utilisation dans des structures porteuses.

Chaque brique est composée de quatre feuilles de verre, séparées par des espaces en époxy. Des granulés d'aérogel sont utilisés ... [+] pour remplir chaque cavité résultante

Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur invention et affirment que leurs aérobriques sont les mieux adaptées pour remplacer les murs d'enceinte plutôt que pour remplacer les fenêtres. Ils écrivent que cela "… ouvre la possibilité de créer une enveloppe de bâtiment avec une façade translucide autoportante mécaniquement…. qui non seulement isole bien mais apporte également la lumière naturelle à l'intérieur du bâtiment."

Avec un si grand nombre d'entre nous passant de longues périodes à l'intérieur, nos villes se densifiant et un besoin urgent de réduire la consommation d'énergie dans nos maisons urbaines, ces briques pourraient bien faire leur chemin.

* Il est très probable que vous connaissiez l'ingrédient principal de l'aérogel, le gel de silice. Formé en petites perles et emballé dans de petits sacs perméables, il est couramment utilisé comme déshydratant, absorbant l'humidité des produits commerciaux.

** Le coût peut être important. À l'échelle mondiale, le chauffage et le refroidissement des locaux représentent entre un et deux tiers de toute l'énergie consommée par les bâtiments.