Ученые создали бетон, работающий как аккумулятор

Ученые из Кембриджа сумели превратить бетон, самый распространенный в мире строительный материал, в мощный аккумулятор, способный превратить будущие здания в гигантские батареи

На лабораторном столе в Кембридже, штат Массачусетс, лежит стопка полированных цилиндров из черного бетона, залитых жидкостью и опутанных кабелями. По мнению рядового наблюдателя, они не делают ничего особенного. Но потом Дамиан Стефанюк (Damian Stefaniuk) щелкает выключателем. Блоки рукотворного камня подключены к светодиоду – и лампочка начинает мерцать.

«Сначала я не поверил, – рассказывает Стефанюк, описывая первый раз, когда светодиод засветился. – Я подумал, что не отключил внешний источник питания. Это был отличный день. Мы пригласили студентов и профессоров посмотреть. Поначалу они тоже не верили, что это работает».

Причина такого ажиотажа? Этот безобидный темный кусок бетона может олицетворять будущее хранение энергии!

Как отметили ученые, большинство возобновляемых источников энергии не способны стабильно обеспечивать постоянно растущие потребности человечества. Без аккумуляторов это невозможно. При этом современные батареи зависят от таких материалов, как литий. Его количество — не безграничное, а производство — вредит экологии, нивелируя достижения, полученные переходом на возобновляемую энергию.

Именно здесь появляется Стефанюк и его бетон. Он и его коллеги из Массачусетского технологического института нашли способ создать накопитель энергии, известный как суперконденсатор, из трех основных дешевых материалов – воды, цемента и технического углерода (сажи), англ. Carbon black.

Интересное по теме :  Ученые открыли новое свойство воды

Суперконденсаторы очень эффективно сохраняют энергию, но отличаются от батарей в некоторых важных аспектах. Они могут заряжаться гораздо быстрее, чем литиево-ионные батареи, и не страдают от такого же уровня деградации производительности. Но они также быстро высвобождают накопившуюся энергию, что делает их менее полезными в таких устройствах, как мобильные телефоны, ноутбуки или электромобили, где требуется постоянная поставка энергии в течение длительного периода времени.

Однако, по словам Стефанюка, углеродно-цементные суперконденсаторы могут внести важный вклад в усилия по декарбонизации мировой экономики.

"Если эту технологию удастся масштабировать, она может помочь решить важную проблему - хранение возобновляемой энергии", - говорит ученый.

Он и его коллеги-исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета предполагают несколько применений для своих суперконденсаторов.

Одним из них может быть создание дорог, сохраняющих солнечную энергию, а затем высвобождающих ее для беспроводной подзарядки электромобилей во время движения по дороге. Быстрое высвобождение энергии из углеродно-цементного суперконденсатора позволило бы автомобилям быстро заряжать свои батареи. Другим примером может служить энергосберегающий фундамент зданий — «чтобы стены или фундамент, или колонны были активными не только в поддержке конструкции, но и в том, что энергия сохраняется внутри них», — говорит Стефанюк.

Но это еще только начало. Пока бетонный суперконденсатор может хранить чуть меньше 300 ватт-часов на кубический метр – этого достаточно для питания 10-ваттной светодиодной лампочки в течение 30 часов.

«Мощность может показаться низкой по сравнению с обычными батареями, но фундамента с 30-40 кубометров бетона может быть достаточно для удовлетворения ежедневных энергетических потребностей жилого дома, — говорит Стефанюк. — Учитывая широкое использование бетона по всему миру, этот материал имеет потенциал быть очень конкурентоспособным и полезным для хранения энергии».

 

Ученые объяснили, что суперконденсатор работает благодаря необычному сажевой свойству — она обладает высокой электропроводностью. Это означает, что когда сажа сочетается с цементным порошком и водой, она образует своеобразный бетон, наполненный сетями токопроводящего материала, принимающего форму, напоминающую разветвленные крошечные корни.

Читайте популярное :  Во Вселенной есть двойник, где время течет в обратную сторону.

Конденсаторы состоят из двух проводящих пластинок с мембраной меж ними. В этом случае обе пластины изготовлены из углеродного цемента, пропитанного солью-электролитом, называемым хлорид калия.

Когда на пропитанные солью пластины подавали электрический ток, положительно заряженные пластины накапливали отрицательно заряженные ионы из калия хлорида. А поскольку мембрана препятствовала обмену заряженными ионами между пластинами, разделение зарядов создавало электрическое поле.

Поскольку суперконденсаторы могут очень быстро накапливать большое количество заряда, это может сделать их полезными для хранения избыточной энергии, производимой непостоянными возобновляемыми источниками, такими как ветер и солнце. Это позволило бы снять нагрузку с электросети во времена, когда не дует ветер и не светит солнце. Как говорит Стефанюк, «простым примером может служить автономный дом, питающийся от солнечных панелей: днем ​​он использует солнечную энергию напрямую, а ночью — энергию, накопленную, например, в фундаменте».

Несмотря на перспективность разработки, суперконденсаторы пока не совершенны. В частности, большое количество сажи хоть и увеличивает объемы аккумулятора, но делает бетон слабее. Еще одна проблема – на производстве цемента лежит 5-8% выбросов углекислого газа человечества, что тоже не очень экологично. Стефанюк говорит, что он и его коллеги работают над решением, которое позволит настроить их углеродно-цементную версию путем регулировки смеси, но они не будут разглашать детали, пока не завершат испытания и не опубликуют статью.