Superkondensator z cementu i sadzy. Budynki będą mogły przechowywać energię w fundamentach?
Cement i sadza, dwa materiały używane przez ludzkość od tysiącleci, mogą tworzyć podstawę nowoczesnych technologii. Ich odpowiednie połączenie pozwala bowiem na stworzenie... taniego systemu przechowywania energii. Wyobraźmy sobie budynek, w którego fundamentach przechowywana jest energia z umieszczonych na dachu paneli słonecznych, mówią naukowcy z MIT. To właśnie oni stworzyli nowy materiał, który w przyszłości może np. bezprzewodowo ładować samochód elektryczny poruszający się po drodze.
Franz-Josef Ulm, Admin Masic, Yang-Shao Horn oraz czworo innych uczonych z MIT i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, stworzyli superkondensator z cementu i sadzy, który opisali na łamach PNAS.
Kondensatory to proste urządzenia złożone z dwóch przewodzących płytek zanurzonych w elektrolicie i przedzielonych membraną. Gdy przyłożymy do kondensatora napięcie, dodatnio naładowane jony z elektrolitu zgromadzą się na ujemnie naładowanej płytce, a jony o ładunku ujemnym przylgną do płytki o ładunku dodatnim. Membrana pomiędzy płytkami uniemożliwia migrację jonów, powstaje pole elektryczne pomiędzy płytkami i kondensator jest naładowany. Urządzenie jest w stanie przechowywać energię przez długi czas i bardzo szybko ją uwolnić w razie potrzeby. Superkondensator to kondesator zdolny do przechowywania wyjątkowo dużej ilości ładunków.
Pojemność kondensatora zależy od całkowitej powierzchni płytek. W przypadku połączenia cementu i sadzy kluczem do sukcesu było uzyskanie niezwykle dużej powierzchni materiału przewodzącego wewnątrz betonowego bloku. Naukowcy uzyskali to łącząc sadzę, która bardzo dobrze przewodzi prąd, z mieszanką cementową i wodą. Woda, reagując z cementem, w sposób naturalny tworzy sieć kanalików. Sadza migruje przez te kanaliki, tworząc sieć w zastygniętym betonowym bloku. Ma ona strukturę fraktalną. Z większy ramion sieci wyrastają mniejsze, a z nich jeszcze mniejsze i tak dalej. W ten sposób w niewielkiej objętości powstaje sieć materiału przewodzącego o bardzo dużej powierzchni.
Wypełniliśmy tym materiałem plastikowe tuby i pozostawiliśmy go do zastygnięcia na co najmniej 28 dni. Później pocięliśmy beton na fragmenty wielkości elektrod, każdą z nich zanurzyliśmy w standardowym elektrolicie (chlorku potasu) i z dwóch elektrod oddzielonych membraną składaliśmy superkondensatory, mówi profesor Ulm.
Z obliczeń wynika, że betonowy blok o objętości 45 m3 wykonany z takiego materiału może przechować około 10 kWh energii. To mniej więcej tyle, ile zużywa w ciągu dnia typowe gospodarstwo domowe. Innymi słowy, domek jednorodzinny posadowiony na fundamentach o objętości 45 m3 zyskiwałby system przechowywania energii na cały dzień. To w znacznym stopniu uniezależniłoby gospodarstwo wyposażone w panele słoneczne od zewnętrznych dostawców energii.
Nowy materiał mógłby potencjalnie znaleźć też zastosowanie do budowy dróg czy parkingów. Przechowywana w nim energia mogłaby służyć do bezprzewodowego ładowania samochodów elektrycznych. To jednak jeszcze bardziej odległa wizja, niż przechowywanie energii w fundamentach budynków.
Olbrzymią zaletą tego systemu jest jego niezwykła skalowalność. W ten sposób można tworzyć zarówno elektrody o grubości 1 mm, jak i 1 metra. Wszystko zależy od tego, jak dużo energii chcemy przechowywać. Co więcej, stosując różne mieszanki można odpowiednio dostosowywać właściwości naszego superkondensatora. W przypadku dróg czy parkingów ładujących samochody elektryczne konieczne byłoby bardzo szybkie ładowanie i rozładowywanie. W przypadku domów proces ładowania i rozładowywania fundamentów może przebiegać znacznie wolniej.
W tej chwili naukowcy skupiają się na zbudowaniu betonowego bloku zdolnego do przechowania takiej samej ilości energii, co standardowe akumulatory samochodowe.
Superkondensatory nie mają możliwości przechowywania tak dużej ilości energii, co standardowe akumulatory. Mają jednak wiele innych zalet. Można je bardzo szybko ładować i rozładowywać i wytrzymują miliony cykli pracy. Ponadto, w przeciwieństwie do akumulatorów, przechowują energię nie w postaci chemicznej, a w postaci pola elektrycznego.
Komentarze (11)
krzysztof B7QkDkW, 25 sierpnia 2023, 19:48
literówka
Mariusz Błoński, 25 sierpnia 2023, 22:47
Dzięki
thikim, 28 sierpnia 2023, 18:11
Najcenniejsze zdanie tutaj. To bardzo odległa wizja.
Bo mechaniczne własności są podstawowe w budownictwie.
A czy badali już jak taka zmiana struktury wpływa na własności mechaniczne?
Mariusz Błoński, 29 sierpnia 2023, 20:57
Myślę, że jak się okaże, że taka technologia ma sens, to albo oni, albo ktoś inny zainteresowany zajmie się uzyskaniem zezwoleń technicznych dla materiału
To na razie same początki. To tak, jakbyś chciał, by Bejnamin Franklin sprawdził praktyczne aspekty wykorzystania latarki 
thikim, 29 sierpnia 2023, 21:45
No - kiepskie porównanie.
Beton już ma zastosowanie: konstrukcyjne. I takie ma pozostać.
Zastosowanie go w postaci kondensatorów jest dopiero pomysłem.
Pomyliłeś kto tu pretenduje z nowym pomysłem względem obecnego zastosowania.
Bo popraw mnie - może jestem zbyt konserwatywny - ale uzasadniać trzeba nowe a nie stare i sprawdzone.
Esencją pomysłu jest że materiał konstrukcyjny chcemy wykorzystać dodatowo jako magazyn energii. Ale jeśli stracimy jego własności konstrukcyjne to będzie do d*py materiał bo już i tak mamy lepsze superkondensatory.
KONTO USUNIĘTE, 30 sierpnia 2023, 06:26
Thikim, polski wojskowy emeryt, zakłada, że czynni naukowcy z MIT stworzyli coś z utratą zasadniczych właściwości pierwotnych.
Tia, ten Płaszczak mocno zamieszał niektórym podatnym w ich mózgach.
Mariusz Błoński, 30 sierpnia 2023, 11:58
Oni zauważyli, że można z cementu zrobić kondensator. Nie piszą nic o tym, by badali właściwości mechaniczne takiego materiału. Więc zapewne nie badali. I nie wiem, czy akurat ten zespół się tym zajmie. I tyle. Na razie informacja jest o tym, że można coś takiego zrobić, a nie o tym, czy zostanie to zastosowane w praktyce.
Krzychoo, 30 sierpnia 2023, 13:25
Zerknąłem do tego artykułu i jest tam napisane, że głównym celem jest lokalny dostęp do surowców w skali globalnej, a nie budowa domów.
Jednak dodatkowo zauważono, że:
Tak więc Thikim, nie martw się
thikim, 2 września 2023, 13:44
No jak tak to spoko.
Zmylił mnie widocznie tytuł:
Budynki będą mogły przechowywać energię w fundamentach?
a potem dobiło mnie to
Rzeczywiście - nie ma to nic wspólnego z budową domów
Potem tylko co jakiś czas wymiana takiej baterii z fundamentów - prosta sprawa
darekp, 2 września 2023, 18:30
Cóż, jeśli to będą takie superkondensatory, jak inne, to tego problemu nie ma:
No chyba, że zamierzasz, Thikimie, zbudować Piramidę Cheopsa, krąg ze Stonehenge, czy coś tam jeszcze w tym rodzaju, co będzie stać tysiące lat;)
czernm20, 8 listopada 2023, 14:50
Super, ale nie wolno zapominać o wapnie jako formie zabezpieczenia ściany oraz cegły.