Jeden z najbardziej powszechnych materiałów budowlanych na świecie można przekształcić w... baterie. Naukowcy opracowali nowy i tani sposób magazynowania energii elektrycznej w cemencie. Według badaczy, chociażby takie fundamenty domu przygotowane z nowego materiału mogłyby pomieścić wystarczającą ilość energii, aby zaspokoić jego codzienne zapotrzebowanie.
Jednym z największych problemów w energetyce jest sposób magazynowania wyprodukowanej energii. Naukowcy stale poszukują coraz wydajniejszych rozwiązań. A co, gdyby nasze domy były bateriami? Tę koncepcję rozwinęli naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Uniwersytetu Harvarda w USA. Opis i rezultaty tych badań ukazały się na łamach pisma „The Proceedings of the National Academy of Sciences” (DOI: 10.1073/pnas.2304318120).
Uczeni na całym świecie od lat pracują nad stworzeniem materiałów budowlanych, które byłyby zdolne do magazynowania energii. Ale cement, główny składnik betonu, zwykle jest słabym przewodnikiem elektrycznym. W ostatnich latach kilka zespołów badawczych stworzyło strukturalne superkondensatory, wzbogacając cement wysoce przewodzącymi formami węgla, takimi jak grafen lub nanorurki węglowe. Chociaż działają one dobrze, składniki potrzebne do ich wytworzenia są drogie.
W poszukiwaniu alternatywy badacze skupili się na sadzy, która już w starożytności była wykorzystywana przez człowieka jako czarny pigment. Powstaje w rezultacie niepełnego spalania materiałów o znacznej zawartości węgla. Co ważne, tania i powszechna na całym świecie sadza jest również wysoce przewodząca.
Stworzona przez amerykańskich uczonych mieszanka składa się z cementu, wody oraz sadzy. Z wymienionymi materiałami człowiek ma do czynienia przynajmniej od dwóch tysięcy lat. - Nasz materiał jest fascynujący, ponieważ mamy tu do czynienia z najczęściej używanym na świecie materiałem stworzonym przez człowieka, czyli cementem, który łączy się z sadzą, czyli kolejnym dobrze znanym z historii materiałem – za jego pomocą spisano Zwoje znad Morza Martwego — mówi Admir Masic, materiałoznawca z MIT. - Te materiały sprzed co najmniej dwóch tysięcy lat połączone w określony sposób, tworzą przewodzący nanokompozyt i wtedy sprawy stają się naprawdę interesujące – dodaje.
Połączenie tych trzech składników sprawia, że cząsteczki sadzy grupują się w miejscach opróżnionych przez wodę, która z kolei zostaje zaabsorbowana przez łatwo wchodzący z nią w reakcję cement. Zlepki sadzy tworzą w twardniejącym cemencie długie nitki, które zachowują się jak przewody elektryczne.
Tak zmodyfikowany cement staje się w praktyce superkondensatorem. Superkondensatory działają w sposób podobny do akumulatora, natomiast mają nad nim istotną przewagę: są w stanie zarówno szybciej magazynować energię elektryczną, jak i ją uwalniać.
Badacze pocięli przygotowany materiał na małe płytki o grubości 1 milimetra i szerokości 1 centymetra. Po dodaniu membrany, elektrolitu wykonanego z chlorku potasu – soli – i wody, naukowcy uszczelnili strukturę. Kiedy następnie podłączyli przewód do płytek i przestawili przełącznik, cementowe superkondensatory zadziałały.
Aktualnie cementowe akumulatory są jednak dość niewielkie i póki co są w stanie zasilić jedynie kilka żarówek LEDowych. Sam materiał należy jednak uznać za perspektywiczny, ponieważ wykorzystane dla jego stworzenia składniki są tanie i powszechnie dostępne.
Teoretycznie możliwe powinno być także zwiększenie rozmiarów takich baterii. Jednak w miarę jak superkondensatory stają się większe, ich przewodność elektryczna zwykle spada. Jednym z rozwiązań jest po prostu dodanie większej ilości sadzy do mieszanki, ale nie na tyle, aby osłabiło to strukturalną integralność cementu. W przypadku betonu konstrukcyjnego naukowcy zauważyli, że mogą dodać do 10 proc. sadzy bez uszczerbku na jego wytrzymałości. Naukowcy obecnie pracują nad skalowaniem swojego wynalazku tak, aby odpowiadał mocy wyjściowej 12-woltowego akumulatora samochodowego.
Nowo opracowany materiał wydaje się być bardzo atrakcyjną technologią. Można by go stosować przy konstrukcji fundamentów domów, co już zostało wspomniane. Innym możliwym zastosowaniem dla takiego superkondensatora mogłoby być umieszczanie go na drogach. Mógłby wtedy zasilać przejeżdżające tamtędy samochody elektryczne za pośrednictwem ładowarek indukcyjnych. Zresztą takie rozwiązanie jest już nawet poważnie brane pod uwagę i analizowane.
Cement jest też używany do budowy schronów. A zatem gdyby w ich przypadku zastosowany został opracowany niedawno jego wariant, powstające przy jego pomocy obiekty mogłyby stawać się całkowicie samowystarczalne energetycznie. Zresztą potencjalnych możliwości zastosowania cementu – superkondensatora moglibyśmy sobie wyobrazić znacznie więcej.
Źródło: Science, Science Alert, fot. MIT
