Aerogel: Pengisolan Super Ringan Generasi Mendukung Eksplorasi Antariksa

Kita berada di tengah persaingan baru untuk mengeksplorasi luar angkasa, dan bahan baru berada di garis depan kemajuan teknologi. Pertimbangkan kebutuhan bavlutan antariksa. Ia harus melindungi astronot dari suhu ekstrem angkasa, namun harus mungkin tipis dan ringan sebanyak mungkin untuk membantu manevrabilitas.

NASA mengembangkan bahan isolasi aerogel untuk digunakan dalam eksplorasi antariksa, namun dalam beberapa tahun terakhir, aerogel telah menjadi tersedia secara komersial dan menemukan penggunaan dalam berbagai area lainnya.

Aerogel adalah bahan canggih yang, karena struktur ultra-porusnya, memungkinkan insinyur untuk merancang bukan hanya isolasi termal baru untuk bavlutan dan kendaraan antariksa, tetapi juga filter, baterai, kolektor panas surya, dan lebih banyak lagi.

Namun, “aerogel” bukan jenis bahan. Sebaliknya, mereka adalah bentuk padat khusus yang dapat dibuat dari silika, polimer, oksida, karbon, dan bahan lainnya. Meskipun aerogel padat, mereka mengandung begitu banyak ruang kecil, atau “pori,” sehingga sebagian besar terdiri dari udara.

Dalam artikel ini, kami akan menjawab pertanyaan berikut:

• Apa itu aerogel?
• Bagaimana cara membuat aerogel?
• Apa properti kunci aerogel?
• Apa aplikasi aerogel?

Apa itu Aerogel?

Aerogel adalah bahan ultra-porus, yang berarti meski mereka padat, mereka penuh dengan lubang kecil yang diisi udara yang disebut pori. Pori inilah kunci properti unik aerogel. Sementara banyak bahan porus, seperti busa dan beberapa keramik, aerogel adalah kasus ekstrim.

Dalam aerogel, pori membentuk sebagian besar bahan, menghasilkan bahan padat ultra-ringan. Pori dalam aerogel juga sangat kecil, jauh lebih kecil dari rambut manusia dan terlalu kecil untuk terlihat dengan mata telanjang. Akibatnya, aerogel begitu ringan dan transparan sehingga memiliki julukan seperti “awan padat” dan “asap beku”.

Apa Properti Kunci Aerogel?

Aerogel begitu porus hingga hingga 95% volume mereka adalah udara, yang memberikan berbagai properti yang unik. Di antaranya adalah fakta bahwa mereka termasuk bahan paling ringan yang pernah dibuat atau ditemukan, yang membuatnya sangat berguna dalam aplikasi penerbangan antariksa di mana penghematan bobot sangat penting.

Properti aerogel meliputi:

• Kepadatan sangat rendah (lihat pencarian Matmatch untuk kepadatan rendah)
• Konduktivitas termal sangat rendah (lihat pencarian Matmatch untuk konduktivitas termal rendah)
• Luas permukaan tinggi untuk reaksi katalitik atau elektrokimia
• Translusi (Lihat pencarian Matmatch untuk transmisi optik)

Kunci properti unik ini adalah fakta bahwa aerogel tidak hanya sangat porus, tetapi pori juga sangat kecil – terlalu kecil untuk dilihat dengan mata manusia. Ini berarti aerogel tidak hanya mendapat manfaat dari konduktivitas termal rendah udara di dalam pori, tetapi juga udara tidak dapat mengalir dengan mudah, yang lebih meningkatkan kemampuan mereka sebagai pengisol termal.

Bagaimana Cara Membuat Aerogel?

Meskipun namanya, aerogel bukan gel, mereka padat porus yang tinggi yang sebagian besar terdiri dari udara. Aerogel dimulai sebagai cairan, diubah menjadi gel, lalu cairan dihilangkan. Struktur pori unik mereka diciptakan dengan melestarikan struktur yang tercipta ketika partikel kecil dibentuk bersama dalam fase cair. (Lihat pencarian Matmatch untuk ukuran partikel kecil)

Triknya adalah untuk menghilangkan cairan sambil melestarikan ruang antara partikel. Ruang tersebut menjadi pori dalam aerogel.

Jenis aerogel yang paling umum dibuat dari silika melalui proses “Sol-Gel”:

1. Sebuah “Sol” dibuat dengan mencampur partikel padat kecil dengan pelarut cair.
2. Sol diubah menjadi “Gel” dengan menambahkan katalis yang membentuk ikatan partikel satu sama lain, menyebabkan campuran mengeras.
3. Pelarut cair dihilangkan dengan pengeringan, hanya meninggalkan aerogel padat di belakang.

Pengolahan aerogel sangat penting untuk menciptakan mikrostruktur unik mereka. Tanpa pori ultra kecil yang tersisa dari fase gel setengah cair mereka, aerogel tidak akan memiliki kepadatan rendah atau akan menjadi pengisol termal yang excelente.

Apa Aplikasi Aerogel?

Aerogel bukan bahan tertentu, melainkan bentuk bahan yang telah diproses untuk membuatnya sangat porus. Aerogel paling umum dibuat dari silika (diosida silikon); namun telah ada aerogel yang dibuat dari grafen, oksida besi, polimer, dan lebih banyak lagi.

Aerogel juga muncul dalam berbagai bentuk termasuk bata tebal, lembar fleksibel, dan lapisan tipis. Aerogel dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, dan tersedia secara komersial untuk digunakan sebagai isolasi. Namun, peneliti telah mengembangkan beberapa aplikasi teknologis lainnya untuk bahan luar biasa ini.

Isolasi Aerogel

Konduktivitas termal rendah dan kepadatan rendah aerogel menjadikannya bahan isolasi yang excelente. Sebagai bonus tambahan, aerogel begitu ringan sehingga menambahkan bobot yang hampir tidak ada pada struktur, yang menjadikannya sempurna untuk perjalanan antariksa karena setiap kilogram membiayai uang untuk diangkat ke angkasa. Aerogel juga pengisol yang sangat baik sehingga dapat digunakan dalam lapisan tipis di mana fleksibilitas diperlukan, seperti dalam bavlutan antariksa.

Beberapa aerogel translucent, yang berarti dapat digunakan di tempat di mana isolasi tradisional tidak dapat, seperti jendela dan panel surya. Baik digunakan untuk langit-langit kaca di bangunan darat atau jendela di habitat antariksa di masa depan, aerogel mentransmisikan cahaya tetapi menghalangi transfer panas.

Ini menjadikannya ideal untuk membuat struktur lebih mudah dipanaskan dan didinginkan sambil juga memungkinkan lebih banyak cahaya alami masuk. Aerogel juga telah digunakan sebagai lapis penutup pada kolektor panas surya generasi mendatang, di mana aerogel memungkinkan cahaya melewati tetapi mencegah panas meluap.

Kemampuan aerogel untuk menghentikan aliran panas juga membuatnya berguna sebagai bentuk kamuflase, dan lapis aerogel telah diuji sebagai cara untuk menyembunyikan dari kamera inframerah.

Adsorber & Filter

Pori kecil di dalam aerogel memberikan luas permukaan spesial yang sangat tinggi, berarti sejumlah besar bahan padat dalam kontak dengan lingkungannya. Ketika aerogel dibuat dari bahan yang menarik dan menempel pada molekul atau partikel tertentu, mereka dapat digunakan sebagai filter dan adsorber yang menangkap substansi di dalam pori.

Saudara akrab aerogel adsorber adalah silika gel, yang umum digunakan sebagai pengering untuk menghilangkan air dari udara. Sebagian besar orang akrab dengan kantong silika gel yang digunakan untuk menjaga makanan dan item lainnya tetap kering, dalam sistem pendingin udara, dan aplikasi lainnya. Setelah silika gel jenuh dengan air, ia dapat “diisi ulang” dengan memanaskan di oven, yang menguapkan air dari permukaan pori-porinya sehingga menjadi kering dan siap digunakan lagi.

Jumlah air yang dapat diserap bertambah dengan luas permukaan spesifik. Karena aerogel memiliki luas permukaan spesifik yang lebih tinggi daripada silika gel tradisional, aerogel menawarkan peningkatan yang lebih besar dalam kemampuan menangkap kelembaban.

Aplikasi Teknologi Canggih

Luas permukaan spesifik tinggi aerogel berarti mereka memiliki jumlah bahan yang sangat besar dalam kontak dengan lingkungan. Ini membuat aerogel berguna untuk sejumlah besar proses kimia dan elektrokimia yang dapat ditingkatkan dengan memaksimalkan area kontak antara larutan dan substrat padat.

Ini termasuk berfungsi sebagai katalis atau substrat katalis untuk berbagai proses kimia industri serta elektroda dalam superkapasitor generasi mendatang.

Karena aerogel adalah jenis struktur yang dapat dibuat dari berbagai macam bahan, penelitor terus mengembangkan aerogel baru dan cara baru untuk menggunakannya. Seiring dengan bahan baru yang diubah menjadi aerogel, mereka akan memungkinkan perkembangan teknologis baru seperti superkapasitor baru, lapisan antimikroba, bantolan penyerap tumpahan minyak, implan tulang, dan lebih banyak lagi.

Dengan kombinasi uniknya dari konduktivitas termal rendah, kepadatan rendah, luas permukaan tinggi, dan translusi, aerogel berkembang menjadi beragam teknologi bahan canggih terdepan.