Учені з Кембриджу зуміли перетворити бетон, найпоширеніший у світі будівельний матеріал, на потужний акумулятор, який здатен перетворити майбутні будівлі на гігантські батареї
Науковці створили бетон, що працює як акумулятор Фото: chatgpt.com
На лабораторному столі в Кембриджі, штат Массачусетс, лежить стос полірованих циліндрів з чорного бетону, залитих рідиною і обплутаних кабелями. На погляд пересічного спостерігача, вони не роблять нічого особливого. Але потім Даміан Стефанюк (Damian Stefaniuk) клацає вимикачем. Блоки рукотворного каменю під’єднані до світлодіода — і лампочка починає мерехтіти.
«Спочатку я не повірив, — розповідає Стефанюк, описуючи перший раз, коли світлодіод засвітився. —Я подумав, що не відключив зовнішнє джерело живлення. Це був чудовий день. Ми запросили студентів і професорів подивитися. Спочатку вони теж не вірили, що це працює».
Причина такого ажіотажу? Цей нешкідливий темний шматок бетону може уособлювати майбутнє зберігання енергії!
Як зазначили науковці, більшість відновлюваних джерел енергії не здатні стабільно забезпечувати потреби людства, які постійно зростають. Без акумуляторів — це неможливо. При цьому, сучасні батареї — залежні від таких матеріалів, як літій. Його кількість — не безмежна, а виробництво — шкодить екології, нівелюючи досягнення, здобуті переходом на відновлювальну енергію.
Саме тут з’являється Стефанюк і його бетон. Він та його колеги з Массачусетського технологічного інституту знайшли спосіб створити накопичувач енергії, відомий як суперконденсатор, з трьох основних дешевих матеріалів — води, цементу та технічного вуглецю (сажі), англ. Carbon black.
Цікаве по темі: Учені відкрили нову властивість води
Суперконденсатори дуже ефективно зберігають енергію, але відрізняються від батарей у деяких важливих аспектах. Вони можуть заряджатися набагато швидше, ніж літій-іонні батареї, і не страждають від такого ж рівня деградації продуктивності. Але вони також швидко вивільняють накопичену енергію, що робить їх менш корисними в таких пристроях, як мобільні телефони, ноутбуки або електромобілі, де потрібне постійне постачання енергії протягом тривалого періоду часу.
Проте, за словами Стефанюка, вуглецево-цементні суперконденсатори можуть зробити важливий внесок у зусилля з декарбонізації світової економіки.
«Якщо цю технологію вдасться масштабувати, вона може допомогти вирішити важливу проблему — зберігання відновлюваної енергії», — каже науковець.
Даміан Стефанюк зміг використати вуглецево-цементний суперконденсатор для живлення портативного ігрового пристрою Фото: Даміан Стефанюк
Він та його колеги-дослідники з Массачусетського технологічного інституту та Гарвардського університету передбачають кілька застосувань для своїх суперконденсаторів.
Одним з них може бути створення доріг, які зберігають сонячну енергію, а потім вивільняють її для бездротової підзарядки електромобілів під час руху по дорозі. Швидке вивільнення енергії з вуглецево-цементного суперконденсатора дозволило б автомобілям швидко заряджати свої батареї. Іншим прикладом може бути енергозберігаючий фундамент будинків — «щоб стіни, або фундамент, або колони були активними не тільки в підтримці конструкції, але й у тому, що енергія зберігається всередині них», — каже Стефанюк.
Але це ще тільки початок. Поки що бетонний суперконденсатор може зберігати трохи менше 300 ват-годин на кубічний метр — цього достатньо для живлення 10-ватної світлодіодної лампочки протягом 30 годин.
«Потужність може здатися низькою порівняно зі звичайними батареями, але фундаменту з 30-40 кубічних метрів бетону може бути достатньо для задоволення щоденних енергетичних потреб житлового будинку, — каже Стефанюк. — Враховуючи широке використання бетону в усьому світі, цей матеріал має потенціал бути дуже конкурентоспроможним і корисним для зберігання енергії».
Учені пояснили, що суперконденсатор працює завдяки незвичайній властивості сажі — вона має високу електропровідність. Це означає, що коли сажа поєднується з цементним порошком і водою, вона утворює своєрідний бетон, наповнений мережами струмопровідного матеріалу, що набуває форми, яка нагадує розгалужене крихітне коріння.
Читайте популярне: У Всесвіту є двійник, де час тече в зворотний бік — учені
Конденсатори складаються з двох провідних пластин з мембраною між ними. У цьому випадку обидві пластини виготовлені з вуглецевого цементу, який був просочений сіллю-електролітом, що називається хлорид калію.
Коли на просочені сіллю пластини подавали електричний струм, позитивно заряджені пластини накопичували негативно заряджені іони з хлориду калію. А оскільки мембрана перешкоджала обміну зарядженими іонами між пластинами, поділ зарядів створював електричне поле.
Оскільки суперконденсатори можуть дуже швидко накопичувати велику кількість заряду, це може зробити їх корисними для зберігання надлишкової енергії, виробленої непостійними відновлюваними джерелами, такими як вітер і сонце. Це дозволило б зняти навантаження з електромережі в часи, коли не дме вітер і не світить сонце. Як каже Стефанюк, «простим прикладом може бути автономний будинок, що живиться від сонячних панелей: вдень він використовує сонячну енергію безпосередньо, а вночі — енергію, накопичену, наприклад, у фундаменті».
Попри перспективність розробки, суперконденсатори наразі не є досконалими. Зокрема, велика кількість сажі хоч і збільшує обсяги акумулятора, але робить бетон слабшим. Ще одна проблема — на виробництві цементу лежить 5-8% викидів вуглекислого газу людства, що також не дуже екологічно. Стефанюк каже, що він та його колеги працюють над рішенням, яке дозволить налаштувати їхню вуглецево-цементну версію шляхом регулювання суміші, але вони не будуть розголошувати деталі, поки не завершать випробування і не опублікують статтю.