Ученые из Кембриджа сумели превратить бетон, самый распространенный в мире строительный материал, в мощный аккумулятор, который способен превратить будущие здания в гигантские батареи
Ученые создали бетон, работающий как аккумулятор Фото: chatgpt.com
На лабораторном столе в Кембридже, штат Массачусетс, лежит кипа полированных цилиндров из черного бетона, залитых жидкостью и опутанных кабелями. На взгляд 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 замечательный день. Мы пригласили студентов и профессоров посмотреть. Сначала они тоже не верили, что это работает».
Причина такого ажиотажа? Этот безобидный темный кусок бетона может олицетворять будущее хранения энергии!
Как отметили ученые, большинство возобновляемых источников энергии не способны стабильно обеспечивать потребности человечества, которые постоянно растут. Без аккумуляторов — это невозможно. При этом, современные батареи — зависимы от таких материалов, как литий. Его количество — не безгранично, 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 литий-ионные батареи, и не страдают от такого же уровня деградации производительности. Но они также быстро высвобождают накопленную энергию, что делает их менее полезными в таких устройствах, как мобильные телефоны, ноутбуки или электромобили, где требуется постоянное снабжение энергией в течение длительного периода времени.
Тем не менее, по словам Стефанюка, углеродно-цементные суперконденсаторы могут сделать важный вклад в усилия по декарбонизации мировой экономики.
«Если эту технологию удастся масштабировать, она может помочь решить важную проблему — хранение возобновляемой энергии», — говорит ученый.
Дамиан Стефанюк смог использовать углеродно-цементный суперконденсатор для питания портативного игрового устройства Фото: Дамиан Стефанюк
Он и его коллеги-исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета предусматривают несколько применений для своих суперконденсаторов.
Одним из них может быть создание дорог, которые хранят солнечную энергию, а затем высвобождают 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 быть энергосберегающий фундамент домов — «чтобы стены, или фундамент, или колонны были активными не только в поддержании конструкции, но и в том, что энергия сохраняется внутри них», — говорит Стефанюк.
Но это еще только начало. Пока что бетонный суперконденсатор может хранить чуть менее 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 из 30-40 кубических метров бетона может быть достаточно для удовлетворения ежедневных энергетических потребностей жилого дома, — говорит Стефанюк. — Учитывая широкое использование бетона во всем мире, этот материал имеет потенциал быть очень конкурентоспособным и полезным для хранения энергии».
Ученые объяснили, что суперконденсатор работает благодаря необычному свойству сажи — она обладает высокой электропроводностью. Это означает, что когда сажа сочетается с цементным порошком и водой, она образует своеобразный бетон, наполненный сетями токопроводящего материала, который приобретает форму, напоминающую разветвленные крошечные корни.
Читайте популярное: У Вселенной есть двойник, где время течет в обратную сторону — ученые
Конденсаторы состоят из двух проводящих пластин с мембраной между ними. В этом случае обе пластины изготовлены из углеродного цемента, который был пропитан солью-электролитом, называемым хлорид калия.
Когда на пропитанные солью пластины подавали электрический ток, положительно заряженные пластины накапливали отрицательно заряженные ионы из хлорида калия. 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 быть 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 являются совершенными. 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 также не очень экологично. Стефанюк говорит, что он и его коллеги работают над решением, которое позволит настроить их углеродно-цементную версию путем регулирования смеси, но они не будут разглашать детали, пока не завершат испытания и не опубликуют статью.
Ознакомьтесь с другими популярными материалами:
Ученые открыли пригодную для жизни планету недалеко от Земли
Ученые создали гибкие солнечные батареи, не требующие зарядки
Каким будет взрыв ядерной бомбы в космосе — ученые
По материалам bbc.com.
