Έχετε φανταστεί ποτέ ότι το τσιμέντο του σπιτιού σας ή ο δρόμος κάτω από τα ελαστικά του αυτοκινήτου σας θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια; Μια ομάδα του MIT όχι μόνο το φαντάστηκε αλλά ήδη αναπτύσσει μια λύση για να το κάνει πραγματικότητα.
Συχνά, απαντήσεις στα πιο περίπλοκα προβλήματα του μέλλοντος μπορούν να δοθούν ρίχνοντας μια ματιά στο παρελθόν. Το τσιμέντο, ένα κλασικό δομικό υλικό και ένα πανάρχαιο υλικό, η αιθάλη (carbon black) – το υπόλειμμα από ατελείς καύσεις που μοιάζει με λεπτό κάρβουνο-έχουν επαναχρησιμοποιηθεί από τους μηχανικούς του MIT στο παρελθόν ως βάση ενός καινοτόμου συστήματος αποθήκευσης ενέργειας.
Τώρα οι ερευνητές από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης ανέμειξαν το τσιμέντο, με τη αιθάλη και πρόσθεσαν νερό για να δημιουργήσουν έναν υπερπυκνωτή - σκεφτείτε τον ως εναλλακτική μπαταρία που μπορεί να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια-συνδυασμός που θα μπορούσε να φέρει «επανάσταση» στον τρόπο με τον οποίο αποθηκεύουμε ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές. Φανταστείτε για παράδειγμα, πως το τσιμεντένιο θεμέλιο του σπιτιού σας θα μπορούσε να μετατραπεί σε μια μονάδα αποθήκευσης ενέργειας, ικανή να αποθηκεύσει την ενέργεια μιας ημέρας.
Πώς λειτουργεί
Ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες που βυθίζονται σε έναν ηλεκτρολύτη και χωρίζονται από μια μεμβράνη. Όταν εφαρμόζεται τάση, τα θετικά φορτισμένα ιόντα από τον ηλεκτρολύτη συγκεντρώνονται στην αρνητικά φορτισμένη πλάκα και αντίστροφα, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να αποθηκευτεί και να παραδοθεί γρήγορα όταν απαιτείται.
Το υλικό με βάση το τσιμέντο που δημιούργησαν οι ερευνητές του ΜΙΤ έχει ένα πυκνό, διασυνδεδεμένο δίκτυο αγώγιμου υλικού που δημιουργεί μεγάλη εσωτερική επιφάνεια. Με την εισαγωγή αιθάλης στο μείγμα τσιμέντου-νερού και καθώς αυτό στερεοποιείται, το νερό αντιδρά με το τσιμέντο για να σχηματίσει ένα διακλαδισμένο δίκτυο με κενά. Τα μόρια της αιθάλης συμπληρώνουν τα κενά καθώς το νερό απορροφάται από το τσιμέντο, σχηματίζοντας δομές σαν σύρματα τα οποία δρουν ως καλώδια, μετατρέποντας ουσιαστικά το υλικό σε υπερπυκνωτή.
Αυτή η καινοτόμα λύση αποθήκευσης μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούμε τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Σκεφτείτε το εξής: οι κύριες πηγές ανανεώσιμης ενέργειας, όπως η αιολική, η ηλιακή και η παλιρροιακή, παράγουν ενέργεια σε μεταβλητούς χρόνους. Αυτοί οι χρόνοι συχνά δεν ευθυγραμμίζονται με την αιχμή της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας, καθιστώντας αναγκαία την ανάπτυξη αποδοτικών συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας.
Ο καθηγητής Franz-Josef Ulm, ένας από τους κορυφαίους ερευνητές του MIT, πιστεύει ότι η τεχνολογία τους είναι εξαιρετικά πολλά υποσχόμενη, ιδιαίτερα λόγω της ευρείας εφαρμογής του τσιμέντου. Ένα μπλοκ 45 κυβικών μέτρων αυτού του υλικού θα μπορούσε να αποθηκεύσει έως και 10 κιλοβατώρες, ενέργεια αρκετή για να τροφοδοτήσει ένα νοικοκυριό για μια ημέρα. Επιπλέον, οι υπερπυκνωτές μπορούν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν πιο γρήγορα από τις μπαταρίες, γεγονός που τους καθιστά πιο αποδοτικούς.
Απόδειξη της ιδέας
Οι ερευνητές του MIT απέδειξαν ότι αυτό είναι δυνατό κατασκευάζοντας με αυτή τη μέθοδο έναν μικροσκοπικό υπερπυκνωτή με περίπου 1 εκατοστό διάμετρο και 1 χιλιοστό πάχος. Κάθε ένας από αυτούς τους μικρούς υπερπυκνωτές θα μπορούσε να φορτιστεί σε 1 βολτ, παρόμοιο με μια μπαταρία 1 βολτ.
Η ομάδα σύνδεσε με επιτυχία τρεις από αυτούς τους υπερπυκνωτές για να τροφοδοτήσει μια λάμπα 3 βολτ (LED) και τώρα σχεδιάζει να κατασκευάσει μεγαλύτερες εκδόσεις, ξεκινώντας με μονάδες που μοιάζουν με τυπικές μπαταρίες αυτοκινήτου 12 volt και τελικά προχωρώντας σε μια κολοσσιαία έκδοση 45 κυβικών μέτρων όπου μπορεί να αποθηκεύσει αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσει ένα ολόκληρο σπίτι.
Οι εφαρμογές αυτών των τεράστιων υπερπυκνωτών εκτείνονται πέρα από την τροφοδοσία των νοικοκυριών. Φανταστείτε τσιμεντένιους δρόμους που αποθηκεύουν ηλιακή ενέργεια και φορτίζουν με ασύρματο τρόπο τα ηλεκτρικά οχήματα που περνούν. Αυτή η ιδέα αναπτύσσεται ήδη στη Γερμανία και την Ολλανδία χρησιμοποιώντας τυπικές μπαταρίες.
Για κατασκευές μακριά από την ηλεκτρική ενέργεια του δικτύου, όπως απομακρυσμένα σπίτια, οι υπερπυκνωτές τσιμέντου θα μπορούσαν να φορτιστούν από ηλιακούς συλλέκτες. Σύμφωνα με τους ερευνητές το σύστημα είναι επεκτάσιμο και η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας αυξάνεται με τον όγκο των ηλεκτροδίων. Προσαρμόζοντας το μείγμα στις επιθυμητές ιδιότητες για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, το σύστημα μπορεί να ρυθμιστεί για βέλτιστη απόδοση.
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτή η καινοτομία θα εγκαινιάσει μια νέα εποχή για το σκυρόδεμα στην ενεργειακή μετάβαση, μετατρέποντάς το από ένα παραδοσιακό δομικό υλικό σε ένα πολυλειτουργικό στοιχείο του ενεργειακού μας μέλλοντος.
Τα ευρήματα εμφανίστηκαν στο Proceedings of the National Academy of Sciences.
