Το σκυρόδεμα ήδη χτίζει τον κόσμο μας και τώρα είναι ένα βήμα πιο κοντά στο να τον τροφοδοτήσει κιόλας. Κατασκευασμένο συνδυάζοντας τσιμέντο, νερό, εξαιρετικά λεπτή αιθάλη (λεπτό κάρβουνο με νανοσωματίδια) και ηλεκτρολύτες, το ηλεκτρονιοαγώγιμο σκυρόδεμα άνθρακα (ec 3, προφέρεται «ec-cubed») δημιουργεί ένα αγώγιμο «νανοδίκτυο» που θα μπορούσε να επιτρέψει σε καθημερινές κατασκευές όπως τοίχους, πεζοδρόμια και γέφυρες να αποθηκεύουν και να απελευθερώνουν ηλεκτρική ενέργεια σαν υπερπυκνωτής. Με άλλα λόγια, το σκυρόδεμα γύρω μας θα μπορούσε μια μέρα να λειτουργήσει και ως μια γιγάντια «μπαταρία».
Ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ), όπως αναφέρουν σε μια νέα δημοσίευση στο στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS), βελτίωσαν τώρα την απόδοση αυτής της «μπαταρίας» σκυροδέματος αποκτώντας βαθύτερη κατανόηση της δομής νανοκλίμακας και βελτιστοποιώντας τις συνθέσεις ηλεκτρολυτών, φέρνοντας την αποθήκευση ενέργειας στο σκυρόδεμα πολύ πιο κοντά στις πρακτικές εφαρμογές.
Η βελτίωση είναι τεράστια. Προηγουμένως, ένα μέσο σπίτι θα χρειαζόταν ένα μπλοκ 45 κυβικών μέτρων ec 3 (όσο ένα υπόγειο) για να τροφοδοτηθεί για μια ημέρα και τώρα του αρκεί μόνο ένα μπλοκ 5 κυβικών μέτρων (όσος είναι ο όγκος ενός τοίχου του υπογείου). Ένα κυβικό μέτρο βελτιωμένου ηλεκτρονιοαγώγιμου σκυροδέματος άνθρακα μπορεί πλέον να αποθηκεύσει πάνω από 2 κιλοβατώρες ενέργειας, αρκετή για να τροφοδοτήσει ένα ψυγείο για μια ημέρα.
Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες, οι δομές ec 3 μπορούν να διαρκέσουν όσο και το ίδιο το κτίριο, παρέχοντας παράλληλα διπλή λειτουργικότητα, τόσο ως δομικά, όσο και ως αποθηκευτικά στοιχεία. Αυτοί οι υπερπυκνωτές από σκυρόδεμα θα μπορούσαν επίσης, να αντιμετωπίσουν προβλήματα διακοπτόμενης λειτουργίας με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αποθηκεύοντας ηλιακή ενέργεια για χρήση κατά τη διάρκεια της νύχτας ή των συννεφιασμένων ημερών.
«Ένα κλειδί για τη βιωσιμότητα του σκυροδέματος είναι η ανάπτυξη «πολυλειτουργικού σκυροδέματος», το οποίο ενσωματώνει λειτουργίες όπως η αποθήκευση ενέργειας, η αυτο-επούλωση και η δέσμευση άνθρακα. Το σκυρόδεμα είναι ήδη το πιο χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό στον κόσμο, οπότε γιατί να μην επωφεληθούμε για να παραγάγουμε περισσότερα οφέλη;» αναρωτιέται ο Admir Masic, κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης, συν-διευθυντής του MIT Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials Hub (EC³ Hub) και αναπληρωτής καθηγητής πολιτικής και περιβαλλοντικής μηχανικής στο MIT.
Η βελτιωμένη ενεργειακή πυκνότητα του υλικού κατέστη δυνατή χάρη στην βαθύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας και της αλληλεπίδρασης του νανοκαρβονικού δικτύου με τους ηλεκτρολύτες μέσα στο ec 3. Για πρώτη φορά, η ομάδα οπτικοποίησε την εσωτερική δομή του υλικού χρησιμοποιώντας μια τεχνική τρισδιάστατης απεικόνισης υψηλής ανάλυσης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (μια τεχνική που ονομάζεται τομογραφία FIB-SEM). Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στην ομάδα να ανακαλύψει ότι το δίκτυο είναι ουσιαστικά ένας ιστός σαν φράκταλ που περιβάλλει τους πόρους του ec 3, επιτρέποντας στον ηλεκτρολύτη να διεισδύσει και στο ρεύμα να ρέει μέσα από το σύστημα.
«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα υλικά «συναρμολογούνται» σε νανοκλίμακα είναι το κλειδί για την επίτευξη αυτών των νέων λειτουργιών», προσθέτει ο Masic.
Κατανοώντας το νανοδίκτυο, η ομάδα πειραματίστηκε με διαφορετικούς ηλεκτρολύτες και τις συγκεντρώσεις τους για να δει πώς επηρεάζεται η αποθήκευση ενέργειας. Όπως τονίζει ο Damian Stefaniuk, πρώτος συγγραφέας και ερευνητής του EC³ Hub, «διαπιστώσαμε ότι υπάρχει ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρολυτών που θα μπορούσαν να είναι βιώσιμοι υποψήφιοι για το ec 3. Αυτό περιλαμβάνει ακόμη και το θαλασσινό νερό, το οποίο θα μπορούσε να το καταστήσει ένα καλό υλικό για χρήση σε παράκτιες και θαλάσσιες εφαρμογές, ίσως ως δομές υποστήριξης για υπεράκτια αιολικά πάρκα».
Οι νέες γνώσεις από αυτή τη διαδικασία επέτρεψαν στους επιστήμονες να βελτιστοποιήσουν το σύστημα με οργανικούς ηλεκτρολύτες καλύτερης απόδοσης και με μια μέθοδο κατασκευής «χυτευμένου ηλεκτρολύτη» που απλοποίησε την παραγωγή.
«Οι Αρχαίοι Ρωμαίοι σημείωσαν μεγάλη πρόοδο στην κατασκευή από σκυρόδεμα. Ογκώδεις κατασκευές όπως το Πάνθεον σώζονται μέχρι σήμερα χωρίς ενίσχυση. Αν διατηρήσουμε το πνεύμα τους να συνδυάσουμε την επιστήμη των υλικών με το αρχιτεκτονικό όραμα, θα μπορούσαμε να βρισκόμαστε στα πρόθυρα μιας νέας αρχιτεκτονικής ‘επανάστασης’ με πολυλειτουργικά σκυροδέματα όπως το ec 3 », προτείνει ο Masic.
Αντλώντας έμπνευση από τη ρωμαϊκή αρχιτεκτονική, η ομάδα κατασκεύασε μια μικροσκοπική αψίδα με ec 3 για να δείξει πώς η δομή και η αποθήκευση ενέργειας μπορούν να συνεργαστούν. Λειτουργώντας στα 9 βολτ, η αψίδα υποστήριξε το βάρος του δομικού φορτίου τροφοδοτώντας ταυτόχρονα ένα φως LED.
Ένα πρωτότυπο υπερπυκνωτή ec³ 12 βολτ (τυπική μπαταρία αυτοκινήτου) κατασκευασμένο με τη στοίβαξη ηλεκτροδίων ec³ τοποθετημένων σε μορφή σάντουιτς με πορώδεις διαχωριστές εμποτισμένους σε ηλεκτρολύτη, τροφοδότησε έναν ανεμιστήρα υπολογιστή 12V και μια κονσόλα βιντεοπαιχνιδιών 5V μέσω USB.
Οι τελευταίες εξελίξεις στην τεχνολογία ec³ την φέρνουν ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα, καθώς η τεχνολογία χρησιμοποιείται ήδη για τη θέρμανση πεζοδρομίων στο Σαπόρο της Ιαπωνίας.
«Με αυτές τις υψηλότερες ενεργειακές πυκνότητες και την αποδεδειγμένη αξία σε έναν ευρύτερο πεδίο εφαρμογών, έχουμε τώρα ένα ισχυρό και ευέλικτο εργαλείο που μπορεί να μας βοηθήσει να αντιμετωπίσουμε ένα ευρύ φάσμα επίμονων ενεργειακών προκλήσεων», εξηγεί ο Stefaniuk.
Η ομάδα εργάζεται πάνω σε εφαρμογές όπως χώροι στάθμευσης και δρόμοι που θα μπορούσαν να φορτίζουν ηλεκτρικά οχήματα, καθώς και σε κατοικίες που μπορούν να λειτουργούν πλήρως εκτός δικτύου.
«Αυτό που μας ενθουσιάζει περισσότερο είναι ότι πήραμε ένα υλικό τόσο αρχαίο όσο το σκυρόδεμα και δείξαμε ότι μπορεί να κάνει κάτι εντελώς νέο», λέει ο James Weaver, συν-συγγραφέας της εργασίας, αναπληρωτής καθηγητής τεχνολογίας σχεδιασμού και επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Πανεπιστήμιο Cornell, καθώς και πρώην ερευνητής του EC³ Hub.
«Συνδυάζοντας τη σύγχρονη νανοεπιστήμη με ένα αρχαίο δομικό στοιχείο του πολιτισμού, ανοίγουμε μια πόρτα σε υποδομές που δεν στηρίζουν απλώς τη ζωή μας, αλλά την τροφοδοτούν».
