MIT engineers create energy storage concrete / Δύο αρχαία υλικά μπορεί να βοηθήσουν στην επίλυση ενός σύγχρονου ενεργειακού διλήμματος - MIT engineers create an energy-storing supercapacitor from ancient materials [Έγγραφο]

Νέος τύπος σκυροδέματος, αποθηκεύει ενέργεια, τα οχήματα θα μπορούν να φορτίζουν εν κινήσει και η οικιακή ενέργεια να αποθηκεύεται στα θεμέλια, μας λέει το MIT!!

Το μελλοντικό σας σπίτι θα μπορούσε να έχει θεμέλια που θα αποθηκεύουν ενέργεια από τα ηλιακά πάνελ στην οροφή σας, χωρίς την ανάγκη για ξεχωριστές μπαταρίες, ενώ το ηλεκτρικό σας όχημα θα μπορούσε να φορτίζει στο δρόμο!

Μηχανικοί του MIT ανέπτυξαν μια νέα τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας -έναν νέο τύπο σκυροδέματος- που βασίζεται σε δύο αρχαία υλικά: το τσιμέντο, που χρησιμοποιείται εδώ και χιλιάδες χρόνια και τον μαύρο άνθρακα, μια μαύρη σκόνη που χρησιμοποιείτο ως μελάνι για τα χειρόγραφα της Νεκράς Θάλασσας περίπου 2.000 χρόνια πριν.

Ο μαύρος άνθρακας άγει τον ηλεκτρισμό και οι μηχανικοί ανακάλυψαν ότι αν αναμειχθεί με τσιμέντο και νερό με συγκεκριμένο τρόπο, σχηματίζει ένα μακρύ, διακλαδισμένο δίκτυο από «σύρματα» άνθρακα, καθώς το τσιμέντο σκληραίνει. Αυτό μετατρέπει το υλικό σε υπερπυκνωτή, μια συσκευή που αποθηκεύει ένα ηλεκτρικό φορτίο.

«Ξαφνικά, έχουμε ένα υλικό που, όχι μόνο μπορεί να μεταφέρει φορτίο, αλλά μπορεί επίσης να αποθηκεύσει ενέργεια», λέει ο Franz-Josef Ulm, καθηγητής πολιτικός μηχανικός στο MIT και ένας από τους συγγραφείς μιας νέας μελέτης για την τεχνολογία αυτή.

Σε αντίθεση με μια μπαταρία, η οποία λειτουργεί μετατρέποντας τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, ένας πυκνωτής δεν υποβαθμίζεται με την πάροδο του χρόνου και δεν χάνει την ικανότητα να κρατά φορτίο. (Ο υπερπυκνωτής είναι ένας τύπος πυκνωτή που μπορεί να κρατήσει πολύ μεγάλο φορτίο.)

Ένας πυκνωτής επίσης δεν απαιτεί τα ακριβά, ηθικά αμφισβητήσιμα υλικά που χρησιμοποιούνται σε μπαταρίες ιόντων λιθίου όπως το κοβάλτιο και το λίθιο. Επειδή η αιθάλη είναι φθηνή, οι ερευνητές λένε ότι η διαδικασία θα πρόσθετε ελάχιστα στο κόστος κατασκευής σκυροδέματος.

Θα μπορούσε να είναι μια λύση για μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην κλιμάκωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας: Δεδομένου ότι η ηλιακή και η αιολική ενέργεια δεν είναι πάντα διαθέσιμη, η γρήγορη δημιουργία πιο προσιτών αποθηκευτικών χώρων είναι απαραίτητη, προκειμένου να απομακρυνθούμε από τα ορυκτά καύσιμα.

Οι μηχανικοί εμπνεύστηκαν να δουλέψουν με το τσιμέντο εν μέρει επειδή η παραγωγή τσιμέντου έχει μεγάλο αποτύπωμα άνθρακα και η παροχή ενός δεύτερου σκοπού στην υποστήριξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορεί να την κάνει πιο βιώσιμη. Η διαδικασία θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί με νεότερες εναλλακτικές λύσεις τσιμέντου που μειώνουν τις εκπομπές της παραγωγής, όπως μια έκδοση του τσιμέντου Portland από την startup Brimstone που έχει σχεδιαστεί για να είναι αρνητική σε άνθρακα.

Σε ένα σπίτι, ένα θεμέλιο κατασκευασμένο από το υλικό θα μπορούσε ενδεχομένως να αποθηκεύσει τόση ηλιακή ενέργεια - συνδεδεμένη μέσω καλωδίων στην οροφή - όση θα χρησιμοποιούσε το σπίτι σε μια μέρα.

Σε ένα αιολικό πάρκο, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη βάση των ανεμογεννητριών.

Το σκυρόδεμα θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή δρόμων που μπορούν να φορτίζουν ηλεκτρικά οχήματα καθώς οδηγούν.

Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι πυκνωτές θα μπορούσαν να σχεδιαστούν για να φορτίζουν αργά, όπως σε ένα σπίτι, ή να εκφορτίζονται γρήγορα, όπως σε έναν φορτιστή EV.

Μετά τη δοκιμή μιας μικρής έκδοσης στο εργαστήριο, η ομάδα σχεδιάζει τώρα να κλιμακώσει σε μεγαλύτερα μεγέθη. Το πρώτο πρωτότυπο θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι έτοιμο εντός 18 μηνών, λέει ο Ulm.

ΜΙΤ: Δύο αρχαία υλικά μπορεί να βοηθήσουν στην επίλυση ενός σύγχρονου ενεργειακού διλήμματος

"MIT engineers create an energy-storing supercapacitor from ancient materials"

Το αγώγιμο τσιμέντο θα μπορούσε μια μέρα να βρει το δρόμο του σε σπίτια και άλλα κτίρια. FRANZ-JOSEF ULM, ADMIR MASIC ΚΑΙ YANG-SHAO HORN

Η αποθήκευση καθαρής ενέργειας είναι εξίσου σημαντική με τη συγκομιδή της. Δυστυχώς, η συντριπτική πλειονότητα των επαναφορτιζόμενων μπαταριών βασίζεται επί του παρόντος σε μέταλλα σπάνιων γαιών όπως το λίθιο, η εξόρυξη των οποίων είναι γεμάτη περιβαλλοντικά και ηθικά ζητήματα.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, ωστόσο, μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική μπορεί να βρεθεί απλώς συνδυάζοντας δύο από τα παλαιότερα και πιο συνηθισμένα υλικά του πολιτισμού: το τσιμέντο και το μείγμα που μοιάζει με άνθρακα, γνωστό ως αιθάλη.

Όπως αναφέρεται λεπτομερώς σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 31 Ιουλίου στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, μηχανικοί που συνεργάζονται από το MIT και το Ινστιτούτο Wyss ανακάλυψαν πρόσφατα ότι η σωστή ανάμειξη των δύο συστατικών σε νερό που εγχέεται με ηλεκτρολύτη δημιουργεί έναν ισχυρό, χαμηλού κόστους υπερπυκνωτή ικανό να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια για μελλοντική χρήση. Με λίγη περαιτέρω λεπτομέρεια και πειραματισμό, η ομάδα πιστεύει ότι το εμπλουτισμένο τσιμέντο τους θα μπορούσε κάποια μέρα να συνθέσει τμήματα των θεμελίων των κτιρίων ή ακόμα και να δημιουργήσει ασύρματη φόρτιση.

Όπως οι μπαταρίες, οι υπερπυκνωτές αποθηκεύουν και κατευθύνουν μεγάλα αποθέματα ηλεκτρικής ενέργειας. Για να γίνει αυτό, οι σχεδιαστές εμποτίζουν δύο αγώγιμες πλάκες σε διάλυμα ηλεκτρολύτη πριν τοποθετήσουν μια μεμβράνη ανάμεσά τους. Μόλις φορτιστεί, το φράγμα στη συνέχεια εμποδίζει τα ιόντα να ταξιδεύουν μεταξύ των θετικών και αρνητικών πλακών, αποθηκεύοντας έτσι τη δυνητική ισχύ για μελλοντική χρήση.

Στην περίπτωση του νέου υλικού των ερευνητών με βάση το τσιμέντο, ωστόσο, η σχετικά υψηλή εσωτερική επιφάνεια του είναι το κλειδί για το δυναμικό υπερπυκνωτή του. Αφού συνδύασαν την εξαιρετικά αγώγιμη αιθάλη, τη σκόνη τσιμέντου και το νερό, οι ερευνητές περιμένουν να ωριμάσει το μείγμα που προκύπτει. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το νερό δημιουργεί φυσικά μικροσκοπικά ανοίγματα τα οποία στη συνέχεια λιμάρονται από τον άνθρακα για να δημιουργήσουν φαινομενικά ένα εσωτερικό δίκτυο καλωδίωσης που μοιάζει με φράκταλ. Τοποθετήστε δύο πλάκες από αυτό το υλικό το ένα πάνω στο άλλο και διαχωρίστε τις με ένα μονωτικό στρώμα και έχετε έναν νέο υπερπυκνωτή στη διάθεσή σας.

Σύμφωνα με ερευνητές όπως ο συν-συγγραφέας του χαρτιού Admir Masic, το νέο υλικό είναι τόσο ελπιδοφόρο όσο και συγκινητικό. Η χρήση του τσιμέντου χρονολογείται από τότε 6.500 π. Χ ενώ η αιθάλη ήταν οι συγγραφείς του μελανιού που χρησιμοποίησαν για να γράψουν το “Κύλινδροι της Νεκράς Θάλασσας”.

«Έχετε αυτά τα υλικά ηλικίας τουλάχιστον δύο χιλιετιών που, όταν τα συνδυάζετε με συγκεκριμένο τρόπο, καταλήγετε σε ένα αγώγιμο νανοσύνθετο, και τότε τα πράγματα γίνονται πραγματικά ενδιαφέροντα», είπε ο Masic σε μια δήλωση.

Η ομάδα οραματίζεται έργα όπως τμήματα δρόμων εμποτισμένα με υλικό υπεραγωγού σκυροδέματος συνδεδεμένο με γειτονικές συστοιχίες ηλιακών συλλεκτών.

Παρόμοια με τα πειραματικά έργα που ήδη βρίσκονται σε εξέλιξη στην Ευρώπη, οι ίδιοι οι δρόμοι θα μπορούσαν στη συνέχεια να αξιοποιηθούν σε οχήματα ασύρματης φόρτισης καθώς οδηγούν στην επιφάνεια. Αλλά πριν φτάσουν σε ένα τέτοιο δυνητικά επαναστατικό έργο πολιτικής μηχανικής, οι ερευνητές πρέπει να ξεκινήσουν από μικρά.

Για να δοκιμάσουν αρχικά το νέο τους υλικό, ο Masic και οι συνάδελφοί του δημιούργησαν πρώτα μια τριάδα μικροσκοπικών πρωτοτύπων υπεραγωγών 1 volt, το καθένα περίπου 1 cm σε διάμετρο και 1 mm πάχος. Όταν συνδέονται μεταξύ τους, οι τρεις αγωγοί τροφοδοτούν εύκολα ένα LED 3 volt.

Στο μέλλον, η ομάδα ελπίζει να κλιμακώσει τα πρωτότυπά της σε ένα παράδειγμα 12 volt συγκρίσιμο με μια μπαταρία EV.

Στη συνέχεια έναν υπεραγωγό 45 κυβικών μέτρων ικανό να τροφοδοτήσει υποθετικά ένα ολόκληρο σπίτι.

Δείτε την Μελέτη στο παρακάτω Αρχείο