Θα μπορούσε να επιτρέψει σε καθημερινές κατασκευές όπως τοίχους, πεζοδρόμια και γέφυρες να αποθηκεύουν και να απελευθερώνουν ηλεκτρική ενέργεια
Βελτιωμένοι υπερπυκνωτές άνθρακα-τσιμέντου θα μπορούσαν να μετατρέψουν το σκυρόδεμα γύρω μας σε τεράστια συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.
Το ηλεκτρονιοαγώγιμο σκυρόδεμα άνθρακα (ec3, προφέρεται «e-c-cubed»), συνδυάζοντας τσιμέντο, νερό, εξαιρετικά λεπτή αιθάλη (με νανοσωματίδια) και ηλεκτρολύτες, δημιουργεί ένα αγώγιμο «νανοδίκτυο» μέσα στο σκυρόδεμα που θα μπορούσε να επιτρέψει σε καθημερινές κατασκευές όπως τοίχους, πεζοδρόμια και γέφυρες να αποθηκεύουν και να απελευθερώνουν ηλεκτρική ενέργεια.
Με άλλα λόγια, το σκυρόδεμα γύρω μας θα μπορούσε μια μέρα να λειτουργήσει και ως γιγάντιες «μπαταρίες».
Όπως αναφέρουν ερευνητές του MIT σε μια νέα δημοσίευση στο PNAS, οι βελτιωμένοι ηλεκτρολύτες και οι διαδικασίες κατασκευής έχουν αυξήσει την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των τελευταίων υπερπυκνωτών ec3 κατά μια τάξη μεγέθους.
Η ομάδα εργάζεται για εφαρμογές όπως χώροι στάθμευσης και δρόμοι που θα μπορούσαν να φορτίζουν ηλεκτρικά οχήματα και σπίτια που μπορούν να λειτουργούν πλήρως εκτός δικτύου.
Επίτευξη αποτελέσματος με μικρότερο όγκο
Το 2023, η αποθήκευση αρκετής ενέργειας για την κάλυψη των καθημερινών αναγκών ενός μέσου σπιτιού θα απαιτούσε περίπου 45 κυβικά μέτρα ec3, περίπου την ποσότητα σκυροδέματος που χρησιμοποιείται σε ένα τυπικό υπόγειο.
Τώρα, με τον βελτιωμένο ηλεκτρολύτη, το ίδιο έργο μπορεί να επιτευχθεί με περίπου 5 κυβικά μέτρα, τον όγκο ενός τυπικού τοίχου υπογείου.
«Ένα κλειδί για τη βιωσιμότητα του σκυροδέματος είναι η ανάπτυξη «πολυλειτουργικού σκυροδέματος», το οποίο ενσωματώνει λειτουργίες όπως η αποθήκευση ενέργειας, η αυτοθεραπεία και η δέσμευση άνθρακα.
Το σκυρόδεμα είναι ήδη το πιο χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό στον κόσμο, οπότε γιατί να μην επωφεληθούμε από αυτήν την κλίμακα για να δημιουργήσουμε άλλα οφέλη;» αναρωτιέται ο Admir Masic (κύριος συντάκτης της νέας μελέτης, Διευθυντής του MIT Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials Hub και αναπληρωτής καθηγητής πολιτικής και περιβαλλοντικής μηχανικής στο MIT).
Εφαρμογή της νέας μεθόδου
Η βελτιωμένη ενεργειακή πυκνότητα κατέστη δυνατή χάρη σε μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί και αλληλεπιδρά το δίκτυο νανοάνθρακα στο εσωτερικό του ec3 με τους ηλεκτρολύτες.
Χρησιμοποιώντας εστιασμένες δέσμες ιόντων για τη διαδοχική αφαίρεση λεπτών στρωμάτων του υλικού ec3, ακολουθούμενη από απεικόνιση υψηλής ανάλυσης κάθε τομής με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (μια τεχνική που ονομάζεται τομογραφία FIB-SEM), η ομάδα μέσω του EC³ Hub και του MIT Concrete Sustainability Hub κατάφερε να ανακατασκευάσει το αγώγιμο νανοδίκτυο στην υψηλότερη ανάλυση μέχρι σήμερα.
«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα υλικά συναρμολογούνται… σε νανοκλίμακα είναι το κλειδί για την επίτευξη αυτών των νέων λειτουργιών», προσθέτει ο Masic.
Εξοπλισμένη με τη νέα της κατανόηση του νανοδικτύου, η ομάδα πειραματίστηκε με διαφορετικούς ηλεκτρολύτες και τις συγκεντρώσεις τους για να δει πώς επηρέαζαν την πυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας.
Όπως τονίζει ο Damian Stefaniuk (πρώτος συντάκτης και ερευνητής του EC³ Hub), «διαπιστώσαμε ότι υπάρχει ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρολυτών που θα μπορούσαν να είναι βιώσιμοι υποψήφιοι για το ec3.
Αυτό περιλαμβάνει ακόμη και το θαλασσινό νερό, το οποίο θα μπορούσε να το καταστήσει ένα καλό υλικό για χρήση σε παράκτιες και θαλάσσιες εφαρμογές, ίσως ως δομές στήριξης για υπεράκτια αιολικά πάρκα.
Ένα από τα μεγαλύτερα κίνητρά μας ήταν να βοηθήσουμε στη μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Η ηλιακή ενέργεια, για παράδειγμα, έχει προχωρήσει πολύ όσον αφορά την αποδοτικότητα».
Νέος τρόπος πρόσθεσης ηλεκτρολυτών στο μείγμα
Ταυτόχρονα, η ομάδα βελτίωσε τον τρόπο με τον οποίο πρόσθετε ηλεκτρολύτες στο μείγμα. Αντί να σκληρύνουν τα ηλεκτρόδια ec3 και στη συνέχεια να τα εμβαπτίσουν σε ηλεκτρολύτη, πρόσθεσαν τον ηλεκτρολύτη απευθείας στο νερό ανάμειξης.
Η ομάδα πέτυχε τη μεγαλύτερη απόδοση όταν στράφηκε σε οργανικούς ηλεκτρολύτες, ειδικά εκείνους που συνδύαζαν τεταρτοταγή άλατα αμμωνίου - που βρίσκονται σε καθημερινά προϊόντα όπως τα απολυμαντικά - με ακετονιτρίλιο, ένα διαυγές, αγώγιμο υγρό που χρησιμοποιείται συχνά στη βιομηχανία.
Ένα κυβικό μέτρο αυτής της έκδοσης του ec3 (περίπου στο μέγεθος ενός ψυγείου), μπορεί να αποθηκεύσει πάνω από 2 κιλοβατώρες ενέργειας. Αυτό είναι αρκετό για να τροφοδοτήσει ένα πραγματικό ψυγείο για μια ημέρα.
Ενώ οι μπαταρίες διατηρούν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, το ec3 μπορεί αρχικά να ενσωματωθεί απευθείας σε ένα ευρύ φάσμα αρχιτεκτονικών στοιχείων (από πλάκες και τοίχους έως θόλους) και να διαρκέσει όσο και η ίδια η κατασκευή.
Συσκευή στα πρότυπα της Ρώμης…
Εμπνευσμένη από τη ρωμαϊκή αρχιτεκτονική, η ομάδα κατασκεύασε μια μικροσκοπική αψίδα ec3 για να δείξει πώς η δομική μορφή και η αποθήκευση ενέργειας μπορούν να συνεργαστούν.
Λειτουργώντας στα 9 βολτ, η αψίδα υποστήριζε το δικό της βάρος και το πρόσθετο φορτίο ενώ τροφοδοτούσε ένα φως LED. Ωστόσο, κάτι μοναδικό συνέβη όταν αυξήθηκε το φορτίο στην αψίδα. Το φως τρεμόπαιξε. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο η τάση επηρεάζει τις ηλεκτρικές επαφές ή την κατανομή των φορτίων.
Δηλώσεις
Ο Franz-Josef Ulm (Διευθυντής του EC³ Hub και καθηγητής CEE) είπε:
«Η απάντηση είναι ότι χρειάζεστε έναν τρόπο αποθήκευσης και απελευθέρωσης ενέργειας.
Αυτό συνήθως σήμαινε μια μπαταρία, η οποία συχνά βασίζεται σε σπάνια ή επιβλαβή υλικά.
Πιστεύουμε ότι η ec3 είναι ένα βιώσιμο υποκατάστατο, επιτρέποντας στα κτίρια και τις υποδομές μας να καλύπτουν τις ανάγκες αποθήκευσης ενέργειας».
«Αυτό που μας ενθουσιάζει περισσότερο είναι ότι πήραμε ένα υλικό τόσο αρχαίο όσο το σκυρόδεμα και δείξαμε ότι μπορεί να κάνει κάτι εντελώς νέο. Συνδυάζοντας τη σύγχρονη νανοεπιστήμη με ένα αρχαίο δομικό στοιχείο του πολιτισμού, ανοίγουμε μια πόρτα σε υποδομές που δεν στηρίζουν απλώς τη ζωή μας, αλλά την τροφοδοτούν», λέει ο James Weaver (συντάκτης της εργασίας, αναπληρωτής καθηγητής τεχνολογίας σχεδιασμού και επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Πανεπιστήμιο Cornell, καθώς και πρώην ερευνητής του EC³ Hub).
www.worldenergynews.gr
