Μηχανικοί από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, το διάσημο MIT, δημιούργησαν έναν υπερπυκνωτή μόνο από τσιμέντο, νερό και αιθάλη,ικανό να αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας.
Η συσκευή θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για φθηνά συστήματα που αποθηκεύουν κατά διαστήματα ανανεώσιμη ενέργεια, όπως ηλιακή ή αιολική ενέργεια.
Σύμφωνα με τη μελέτη, δύο από τα πιο πανταχού παρόντα ιστορικά υλικά της ανθρωπότητας, το τσιμέντο και η αιθάλη (που μοιάζει με πολύ λεπτό κάρβουνο), μπορεί να αποτελέσουν τη βάση για ένα νέο, χαμηλού κόστους σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Η τεχνολογία θα μπορούσε να διευκολύνει τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η ηλιακή, η αιολική και η παλιρροιακή ενέργεια, επιτρέποντας στα ενεργειακά δίκτυα να παραμένουν σταθερά παρά τις διακυμάνσεις στον εφοδιασμό ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Στη βάση σπιτιού
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα δύο υλικά μπορούν να συνδυαστούν με νερό για να δημιουργήσουν έναν υπερπυκνωτή – μια εναλλακτική λύση για τις μπαταρίες – που θα μπορούσε να παρέχει αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα, οι ερευνητές του MIT που ανέπτυξαν το σύστημα λένε ότι ο υπερπυκνωτής τους θα μπορούσε τελικά να ενσωματωθεί στη τσιμεντένια βάση ενός σπιτιού, όπου θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια ολόκληρης της ημέρας προσθέτοντας ελάχιστη (ή καθόλου) στο κόστος της θεμελίωσης. και εξακολουθεί να παρέχει την απαιτούμενη δομική αντοχή. Οι ερευνητές οραματίζονται επίσης έναν τσιμεντένιο δρόμο που θα μπορούσε να παρέχει ανέπαφη επαναφόρτιση για ηλεκτρικά αυτοκίνητα καθώς ταξιδεύουν σε αυτόν τον δρόμο.
Η απλή αλλά καινοτόμος τεχνολογία περιγράφεται σε μια εργασία των καθηγητών του MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic και Yang-Shao Horn, και τεσσάρων άλλων στο MIT και στο Wyss Institute.
Οι πυκνωτές
Οι πυκνωτές είναι καταρχήν πολύ απλές συσκευές, που αποτελούνται από δύο ηλεκτρικά αγώγιμες πλάκες βυθισμένες σε έναν ηλεκτρολύτη και χωρισμένες από μια μεμβράνη. Όταν εφαρμόζεται τάση στον πυκνωτή, θετικά φορτισμένα ιόντα από τον ηλεκτρολύτη συσσωρεύονται στην αρνητικά φορτισμένη πλάκα, ενώ η θετικά φορτισμένη πλάκα συσσωρεύει αρνητικά φορτισμένα ιόντα.
Δεδομένου ότι η μεμβράνη μεταξύ των πλακών εμποδίζει τα φορτισμένα ιόντα να μεταναστεύσουν κατά μήκος, αυτός ο διαχωρισμός φορτίων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών και ο πυκνωτής φορτίζεται. Οι δύο πλάκες μπορούν να διατηρήσουν αυτό το ζεύγος φορτίσεων για κάποιο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια να τις παραδώσουν πολύ γρήγορα όταν χρειάζεται. Οι υπερπυκνωτές είναι απλώς πυκνωτές που μπορούν να αποθηκεύσουν εξαιρετικά μεγάλα φορτία.
Η ποσότητα ισχύος που μπορεί να αποθηκεύσει ένας πυκνωτής εξαρτάται από τη συνολική επιφάνεια των αγώγιμων πλακών του. Το κλειδί για τους νέους υπερπυκνωτές που ανέπτυξε αυτή η ομάδα προέρχεται από μια μέθοδο παραγωγής ενός υλικού με βάση το τσιμέντο με εξαιρετικά υψηλή εσωτερική επιφάνεια λόγω ενός πυκνού, διασυνδεδεμένου δικτύου αγώγιμου υλικού εντός του όγκου του.
Εισάγοντας αιθάλη
Οι ερευνητές το πέτυχαν εισάγοντας αιθάλη – που είναι εξαιρετικά αγώγιμο – σε ένα μείγμα σκυροδέματος μαζί με σκόνη τσιμέντου και νερό και αφήνοντάς το να σκληρύνει.
Το νερό σχηματίζει φυσικά ένα διακλαδιζόμενο δίκτυο ανοιγμάτων μέσα στη δομή καθώς αντιδρά με το τσιμέντο και ο άνθρακας μεταναστεύει σε αυτούς τους χώρους για να δημιουργήσει συρμάτινες δομές μέσα στο σκληρυμένο τσιμέντο. Αυτές οι δομές έχουν δομή σαν φράκταλ, με μεγαλύτερα κλαδιά να φυτρώνουν μικρότερα κλαδιά, και αυτά να φυτρώνουν ακόμη μικρότερα κλαδιά, κ.ο.κ., καταλήγοντας σε εξαιρετικά μεγάλη επιφάνεια εντός των ορίων ενός σχετικά μικρού όγκου.
Το υλικό στη συνέχεια εμποτίζεται σε ένα τυπικό υλικό ηλεκτρολύτη, όπως το χλωριούχο κάλιο, ένα είδος άλατος, το οποίο παρέχει τα φορτισμένα σωματίδια που συσσωρεύονται στις δομές άνθρακα. Δύο ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από αυτό το υλικό, που χωρίζονται από ένα λεπτό χώρο ή ένα μονωτικό στρώμα, σχηματίζουν έναν πολύ ισχυρό υπερπυκνωτή, ανακάλυψαν οι ερευνητές.
Οι δύο πλάκες του πυκνωτή λειτουργούν ακριβώς όπως οι δύο πόλοι μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας ισοδύναμης τάσης: Όταν συνδέεται σε μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, όπως με μια μπαταρία, η ενέργεια αποθηκεύεται στις πλάκες και στη συνέχεια όταν συνδέεται σε ένα φορτίο, η ηλεκτρική Το ρεύμα ρέει πίσω για να παρέχει ισχύ.
Υλικά πανάρχαια
«Το υλικό είναι συναρπαστικό», είπε ο Masic, «επειδή έχετε το πιο χρησιμοποιημένο ανθρωπογενές υλικό στον κόσμο, το τσιμέντο, που συνδυάζεται με αιθάλη, που είναι ένα πολύ γνωστό ιστορικό υλικό – γράφτηκαν τα χειρόγραφα της Νεκράς Θάλασσας Με αυτό. Έχετε αυτά τα υλικά τουλάχιστον δύο χιλιετιών που όταν τα συνδυάζετε με συγκεκριμένο τρόπο καταλήγετε σε ένα αγώγιμο νανοσύνθετο και τότε τα πράγματα γίνονται πραγματικά ενδιαφέροντα».
Καθώς το μείγμα πήζει και σκληραίνει, λέει, «Το νερό καταναλώνεται συστηματικά μέσω αντιδράσεων ενυδάτωσης τσιμέντου και αυτή η ενυδάτωση επηρεάζει θεμελιωδώς τα νανοσωματίδια άνθρακα επειδή είναι υδρόφοβα (υδατοαπωθητικά).» Καθώς το μείγμα εξελίσσεται, «η αιθάλη αυτοσυναρμολογείται σε ένα συνδεδεμένο αγώγιμο καλώδιο», λέει. Η διαδικασία είναι εύκολα αναπαραγώγιμη, με υλικά που είναι φθηνά και άμεσα διαθέσιμα οπουδήποτε στον κόσμο. Και η ποσότητα άνθρακα που χρειάζεται είναι πολύ μικρή – μόλις 3 τοις εκατό κατ’ όγκο του μείγματος – για να επιτευχθεί ένα δίκτυο διηθημένου άνθρακα, εξήγησε ο Masic.
Μετάβαση
Οι υπερπυκνωτές που κατασκευάζονται από αυτό το υλικό έχουν μεγάλες δυνατότητες να βοηθήσουν στη μετάβαση του κόσμου στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, εξήγησε ο Ulm. οι κορυφές στη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας, επομένως είναι απαραίτητοι τρόποι αποθήκευσης αυτής της ενέργειας.
«Υπάρχει τεράστια ανάγκη για μεγάλη αποθήκευση ενέργειας», είπε, και οι υπάρχουσες μπαταρίες είναι πολύ ακριβές και βασίζονται κυρίως σε υλικά όπως το λίθιο, του οποίου η προσφορά είναι περιορισμένη, επομένως χρειάζονται πολύ φθηνότερες εναλλακτικές λύσεις. «Εκεί η τεχνολογία μας είναι εξαιρετικά υποσχόμενη, επειδή το τσιμέντο είναι πανταχού παρόν».
Ημερήσια κατανάλωση νοικοκυριού
Η ομάδα υπολόγισε ότι ένα τεμάχιο σκυροδέματος με μαύρη πρόσμιξη νανοάνθρακα που έχει μέγεθος 45 κυβικά μέτρα (ή γιάρδες) – ισοδύναμο με έναν κύβο διαμέτρου περίπου 3,5 μέτρων – θα είχε αρκετή χωρητικότητα για να αποθηκεύσει περίπου 10 κιλοβατώρες ενέργειας, η οποία είναι θεωρείται η μέση ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για ένα νοικοκυριό. Δεδομένου ότι το σκυρόδεμα θα διατηρούσε τη δύναμή του, ένα σπίτι με βάση από αυτό το υλικό θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια που παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες ή ανεμόμυλους ημερησίως και να του επιτρέψει να χρησιμοποιηθεί όποτε χρειάζεται. Και οι υπερπυκνωτές μπορούν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν πολύ πιο γρήγορα από τις μπαταρίες.
Δρόμοι από σκυρόδεμα
Μια άλλη πιθανή εφαρμογή για υπερπυκνωτές άνθρακα-τσιμέντου είναι η κατασκευή δρόμων από σκυρόδεμα που θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν την ενέργεια που παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες κατά μήκος του δρόμου και στη συνέχεια να την παραδώσουν σε ηλεκτρικά οχήματα που ταξιδεύουν κατά μήκος του δρόμου χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιείται για ασύρματα επαναφορτιζόμενα τηλέφωνα. Ένας σχετικός τύπος συστήματος επαναφόρτισης αυτοκινήτου αναπτύσσεται ήδη από εταιρείες στη Γερμανία και την Ολλανδία, αλλά χρησιμοποιώντας τυπικές μπαταρίες για αποθήκευση.
Οι αρχικές χρήσεις της τεχνολογίας μπορεί να είναι για απομονωμένα σπίτια ή κτίρια ή καταφύγια μακριά από την τροφοδοσία του δικτύου, τα οποία θα μπορούσαν να τροφοδοτούνται από ηλιακούς συλλέκτες που συνδέονται με τους υπερπυκνωτές τσιμέντου, λένε οι ερευνητές.
