Το τσιμέντο που θα μπορούσε να μετατρέψει το σπίτι σας σε μια τεράστια μπαταρία

Το σκυρόδεμα είναι ίσως το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό στον κόσμο. Με λίγη προσαρμογή, θα μπορούσε να βοηθήσει να τροφοδοτήσουμε και τα σπίτια μας.

 
Σε ένα εργαστηριακό πάγκο στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης, μια στοίβα γυαλιστερών κυλίνδρων από μαύρο σκυρόδεμα κάθονται λουσμένοι με υγρό και τυλιγμένοι σε καλώδια. Για έναν απλό παρατηρητή, δεν κάνουν πολλά. Αλλά μετά ο Damian Stefaniuk κάνει μια αλλαγή. Τα κομμάτια ανθρωπογενούς βράχου συνδέονται με ένα LED – και ο λαμπτήρας τρεμοπαίζει στη ζωή.

«Στην αρχή δεν το πίστευα», λέει ο Stefaniuk, περιγράφοντας την πρώτη φορά που άναψε το LED. «Νόμιζα ότι δεν είχα αποσυνδέσει την εξωτερική πηγή τροφοδοσίας και γι’ αυτό το LED ήταν αναμμένο.

“Ήταν μια υπέροχη μέρα. Καλέσαμε φοιτητές, και κάλεσα τους καθηγητές να δουν, γιατί στην αρχή δεν πίστευαν ότι δούλεψε”.

Ο λόγος για τον ενθουσιασμό; Αυτό το αβλαβές, σκούρο κομμάτι σκυροδέματος θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας.

Η υπόσχεση των περισσότερων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι αυτή της ατελείωτης καθαρής ενέργειας, που μας χαρίζεται από τον Ήλιο, τον άνεμο και τη θάλασσα.

Ωστόσο, ο Ήλιος δεν λάμπει πάντα, ο άνεμος δεν φυσάει πάντα, και τα ακίνητα νερά δεν τρέχουν, σε μεγαβάτ, βαθιά. Πρόκειται για πηγές ενέργειας που είναι διακοπτόμενες, κάτι που, στον διψασμένο για ενέργεια σύγχρονο κόσμο μας, δημιουργεί πρόβλημα.

Σημαίνει ότι πρέπει να αποθηκεύσουμε αυτή την ενέργεια στις μπαταρίες. Όμως, οι μπαταρίες βασίζονται σε υλικά όπως το λίθιο, το οποίο έχει πολύ μικρότερη προσφορά από ό,τι είναι πιθανό να χρειαστεί για να καλύψει τη ζήτηση που δημιουργείται από την παγκόσμια προσπάθεια να απελευθερώσει τα συστήματα ενέργειας και μεταφορών. Υπάρχουν 101 ορυχεία λιθίου στον κόσμο και  οι οικονομικοί αναλυτές είναι απαισιόδοξοι  σχετικά με την ικανότητα αυτών των ορυχείων να συμβαδίζουν με την αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση. Οι περιβαλλοντικοί αναλυτές σημειώνουν ότι η εξόρυξη λιθίου χρησιμοποιεί πολλή ενέργεια και νερό , τα οποία εξαλείφουν τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη μετάβαση σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην πρώτη θέση. Οι διαδικασίες που εμπλέκονται στην εξόρυξη λιθίου μπορεί επίσης μερικές φορές να οδηγήσουν σε διαρροή τοξικών χημικών ουσιών στα τοπικά αποθέματα νερού .

Παρά ορισμένες νέες ανακαλύψεις αποθεμάτων λιθίου, η πεπερασμένη παροχή αυτού του υλικού, η υπερβολική εξάρτηση από μόνο λίγα ορυχεία σε όλο τον κόσμο και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις του έχουν οδηγήσει στην αναζήτηση εναλλακτικών υλικών μπαταριών.

Εδώ μπαίνει ο Stefaniuk και το μπετόν του. Αυτός και οι συνάδελφοί του στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) βρήκαν έναν τρόπο να δημιουργήσουν μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας γνωστή ως υπερπυκνωτής από τρία βασικά, φθηνά υλικά – νερό, τσιμέντο και μια ουσία που μοιάζει με αιθάλη και ονομάζεται αιθάλη.

Οι υπερπυκνωτές είναι εξαιρετικά αποδοτικοί στην αποθήκευση ενέργειας, αλλά διαφέρουν από τις μπαταρίες σε ορισμένους σημαντικούς τρόπους. Μπορούν να φορτιστούν πολύ πιο γρήγορα από μια μπαταρία ιόντων λιθίου και δεν υποφέρουν από τα ίδια επίπεδα υποβάθμισης στην απόδοση. Αλλά οι υπερπυκνωτές απελευθερώνουν επίσης την ισχύ που αποθηκεύουν γρήγορα, καθιστώντας τους λιγότερο χρήσιμους σε συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα όπου απαιτείται σταθερή παροχή ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Ωστόσο, σύμφωνα με τον Stefaniuk, οι υπερπυκνωτές άνθρακα-τσιμέντου θα μπορούσαν να συμβάλουν σημαντικά στις προσπάθειες για την απεξάρτηση του άνθρακα από την παγκόσμια οικονομία. «Εάν μπορεί να κλιμακωθεί, η τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση ενός σημαντικού ζητήματος – της αποθήκευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας», λέει.

Αυτός και οι συνάδελφοί του ερευνητές στο MIT και στο Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, οραματίζονται αρκετές εφαρμογές για τους υπερπυκνωτές τους.

Κάποιος μπορεί να είναι να δημιουργήσουμε δρόμους που αποθηκεύουν ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια να την απελευθερώσουν για να επαναφορτιστούν ασύρματα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα καθώς οδηγούν κατά μήκος ενός δρόμου . Η ταχεία απελευθέρωση ενέργειας από τον υπερπυκνωτή άνθρακα-τσιμέντου θα επέτρεπε στα οχήματα να λάβουν μια γρήγορη ώθηση στις μπαταρίες τους. Ένα άλλο θα ήταν ως θεμέλια σπιτιών αποθήκευσης ενέργειας – «να υπάρχουν τοίχοι, ή θεμέλια ή κολώνες, που να είναι ενεργά όχι μόνο στη στήριξη μιας δομής, αλλά και στο ότι η ενέργεια αποθηκεύεται μέσα τους», λέει ο Stefaniuk.

Αλλά είναι ακόμα νωρίς. Προς το παρόν, ο υπερπυκνωτής σκυροδέματος μπορεί να αποθηκεύσει λίγο λιγότερο από 300 βατώρες ανά κυβικό μέτρο – αρκετά για να τροφοδοτήσει έναν λαμπτήρα LED 10 watt για 30 ώρες.

Η ισχύς «μπορεί να φαίνεται χαμηλή σε σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες, [αλλά] μια βάση με 30-40 κυβικά μέτρα (1.060-1.410 κυβικά πόδια) σκυροδέματος θα μπορούσε να είναι επαρκής για να καλύψει τις καθημερινές ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας», λέει ο Stefaniuk. «Δεδομένης της ευρείας χρήσης του σκυροδέματος παγκοσμίως, αυτό το υλικό έχει τη δυνατότητα να είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστικό και χρήσιμο στην αποθήκευση ενέργειας».

Ο Stefaniuk και οι συνάδελφοί του στο MIT απέδειξαν αρχικά την ιδέα δημιουργώντας υπερπυκνωτές μεγέθους 1V από το υλικό πριν συνδεθούν σε σειρά για να τροφοδοτήσουν ένα LED 3V. Έκτοτε το έχουν κλιμακώσει για να παράγουν έναν υπερπυκνωτή 12 V. Ο Stefaniuk μπόρεσε επίσης να χρησιμοποιήσει μεγαλύτερες εκδόσεις του υπερπυκνωτή για να τροφοδοτήσει μια φορητή κονσόλα παιχνιδιών.

Και η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα να κατασκευάσει μεγαλύτερες εκδόσεις, συμπεριλαμβανομένης μιας μεγέθους έως 45 κυβικών μέτρων (1.590 κυβικά πόδια) που θα μπορούν να αποθηκεύουν περίπου 10 kWh ενέργειας που απαιτείται για την τροφοδοσία ενός σπιτιού για μια ημέρα.

Ο υπερπυκνωτής λειτουργεί λόγω μιας ασυνήθιστης ιδιότητας της αιθάλης – είναι εξαιρετικά αγώγιμος. Αυτό σημαίνει ότι όταν η αιθάλη συνδυάζεται με σκόνη τσιμέντου και νερό, δημιουργεί ένα είδος σκυροδέματος που είναι γεμάτο δίκτυα αγώγιμου υλικού, παίρνοντας μια μορφή που μοιάζει με συνεχώς διακλαδιζόμενες, μικροσκοπικές ρίζες.

Οι πυκνωτές σχηματίζονται από δύο αγώγιμες πλάκες με μια μεμβράνη ανάμεσά τους. Σε αυτή την περίπτωση, και οι δύο πλάκες είναι κατασκευασμένες από τσιμέντο μαύρου άνθρακα, το οποίο ήταν εμποτισμένο σε ένα άλας ηλεκτρολύτη που ονομάζεται χλωριούχο κάλιο.

Όταν εφαρμόστηκε ηλεκτρικό ρεύμα στις εμποτισμένες με αλάτι πλάκες, οι θετικά φορτισμένες πλάκες συσσώρευσαν αρνητικά φορτισμένα ιόντα από το χλωριούχο κάλιο. Και επειδή η μεμβράνη εμπόδιζε την ανταλλαγή φορτισμένων ιόντων μεταξύ των πλακών, ο διαχωρισμός των φορτίων δημιούργησε ένα ηλεκτρικό πεδίο.

Καθώς οι υπερπυκνωτές μπορούν να συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες φορτίου πολύ γρήγορα, θα μπορούσε να καταστήσει τις συσκευές χρήσιμες για την αποθήκευση της περίσσειας ενέργειας που παράγεται από διακοπτόμενες ανανεώσιμες πηγές όπως ο άνεμος και η ηλιακή ενέργεια.

Αυτό θα αφαιρούσε την πίεση από το δίκτυο σε στιγμές που ο άνεμος δεν φυσάει, ούτε ο ήλιος λάμπει. Όπως λέει ο Stefaniuk, «Ένα απλό παράδειγμα θα ήταν ένα σπίτι εκτός δικτύου που τροφοδοτείται από ηλιακούς συλλέκτες: χρησιμοποιώντας την ηλιακή ενέργεια απευθείας κατά τη διάρκεια της ημέρας και την ενέργεια που αποθηκεύεται, για παράδειγμα, στα θεμέλια κατά τη διάρκεια της νύχτας».

Οι υπερπυκνωτές δεν είναι τέλειοι. Οι υπάρχουσες επαναλήψεις εκφορτίζουν γρήγορα την ισχύ και δεν είναι ιδανικές για σταθερή απόδοση, η οποία θα χρειαζόταν για να τροφοδοτήσει ένα σπίτι όλη την ημέρα. Ο Stefaniuk λέει ότι ο ίδιος και οι συνάδελφοί του εργάζονται σε μια λύση που θα επέτρεπε την έκδοση άνθρακα-τσιμέντου να ρυθμιστεί προσαρμόζοντας το μείγμα, αλλά δεν θα αποκαλύψουν τις λεπτομέρειες μέχρι να ολοκληρώσουν τις δοκιμές και να δημοσιεύσουν ένα έγγραφο.

Θα μπορούσαν να υπάρχουν και άλλα προβλήματα που πρέπει να ξεπεραστούν – η προσθήκη περισσότερης αιθάλης επιτρέπει στον προκύπτον υπερπυκνωτή να αποθηκεύει περισσότερη ενέργεια, αλλά επίσης κάνει το σκυρόδεμα ελαφρώς πιο αδύναμο. Οι ερευνητές λένε ότι οποιεσδήποτε χρήσεις έχουν δομικό ρόλο, καθώς και αποθήκευση ενέργειας, θα πρέπει να βρουν ένα βέλτιστο μείγμα αιθάλης.

Και ενώ οι υπερπυκνωτές τσιμέντου άνθρακα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μείωση της εξάρτησής μας από το λίθιο, έχουν τις δικές τους περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η παραγωγή τσιμέντου ευθύνεται για το 5-8% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από την ανθρώπινη δραστηριότητα παγκοσμίως και το ανθρακικό τσιμέντο που απαιτείται για τους υπερπυκνωτές θα πρέπει να είναι φρεσκοκατασκευασμένο αντί να τοποθετηθεί εκ των υστέρων σε υπάρχουσες κατασκευές.

Ωστόσο, φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη καινοτομία, λέει ο Michael Short, ο οποίος ηγείται του Κέντρου Βιώσιμης Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Teesside στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η έρευνα «ανοίγει πολλές ενδιαφέρουσες πιθανές λεωφόρους γύρω από τη χρήση του ίδιου του δομημένου περιβάλλοντος ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας», λέει. “Καθώς τα υλικά είναι επίσης συνηθισμένα και η κατασκευή σχετικά απλή, αυτό δίνει μια μεγάλη ένδειξη ότι αυτή η προσέγγιση θα πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω και θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι ένα πολύ χρήσιμο μέρος της μετάβασης σε ένα καθαρότερο, πιο βιώσιμο μέλλον.”

Αλλά θα χρειαστεί περισσότερη έρευνα για να μεταφερθεί αυτό από το εργαστήριο στον πραγματικό κόσμο.

“Συχνά, οι νέες ανακαλύψεις είναι προβληματικές όταν γίνονται σκέψεις για τη μετάβαση από την εργαστηριακή κλίμακα σε μια ευρύτερη ανάπτυξη σε μεγαλύτερες κλίμακες και όγκους. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε πολυπλοκότητες κατασκευής, ελλείψεις πόρων ή μερικές φορές λόγω της υποκείμενης φυσικής ή χημείας. Επιθυμητές ιδιότητες που εμφανίζεται σε μικρότερες κλίμακες μπορεί να μειωθεί ή ακόμα και να εξαφανιστεί όταν γίνονται προσπάθειες να γίνει μεγαλύτερο».

Αλλά μπορεί να υπάρχει τρόπος να ξεπεραστεί το πρόβλημα του μη φιλικού προς το περιβάλλον τσιμέντου, προσθέτει ο Short. Οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο Teesside εργάζονται ήδη για  τσιμέντο χαμηλών εκπομπών που παράγεται από τα υποπροϊόντα της χαλυβουργίας και της χημικής βιομηχανίας.

Έργα όπως το τσιμέντο χαμηλών εκπομπών και το σκυρόδεμα αποθήκευσης ενέργειας αυξάνουν την προοπτική ενός μέλλοντος όπου τα γραφεία, οι δρόμοι και τα σπίτια μας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε έναν κόσμο που τροφοδοτείται από καθαρή ενέργεια.

Πηγή:  bbc.com