Οι επιστήμονες έκαναν αυτό που δεν περίμενε κανείς – Μετατρέπουν γιγαντιαίες πλάκες από σκυρόδεμα σε… μπαταρίες

 

Το τσιμέντο έχει μια μακρά ιστορία καινοτομίας που χρονολογείται από το

6.500 π.Χ.  Αν και οι περισσότερες από τις καινοτομίες αυτού του υλικού μέσα στους αιώνες σχετίζονταν με τη ανθεκτικότητα — οι Ρωμαίοι, μάλιστα, ήταν εξαιρετικά ικανοί στο να φτιάχνουν σκυρόδεμα που αντέχει στον χρόνο — τα τελευταία χρόνια το τσιμέντο έχει εξελιχθεί σε πλατφόρμα καινοτομίας για την αντιμετώπιση μερικών από τα πιο πιεστικά προβλήματα του κόσμου.

Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει σκυρόδεμα με ικανότητα… αυτοΐασης, σκυρόδεμα που λειτουργεί ως δεξαμενή δέσμευσης άνθρακα, και ακόμη σκυρόδεμα που μπορεί να αυξήσει τη γεωργική παραγωγή.  Τώρα, επιστήμονες από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) προχώρησαν σε μια νέα  ριζοσπαστική καινοτομία: Το τσιμέντο που λειτουργεί ως μπαταρία

Πώς λειτουργεί ως μπαταρία το τσιμέντο

Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό PNAS εξηγεί πώς ένα μείγμα από τσιμέντο, νερό, εξαιρετικά λεπτό μαύρο άνθρακα (γεμάτο νανοσωματίδια) και ηλεκτρολύτες μπορεί να δημιουργήσει αυτό που οι ερευνητές ονομάζουν “ηλεκτρονιοαγώγιμο σκυρόδεμα άνθρακα” (ec³) — ένα υλικό που δημιουργεί ένα αγώγιμο νανοδίκτυο και μπορεί να λειτουργήσει όπως μια μπαταρία.

«Το κλειδί για τη βιωσιμότητα του σκυροδέματος είναι η ανάπτυξη του λεγόμενου πολυλειτουργικού σκυροδέματος, το οποίο ενσωματώνει λειτουργίες όπως η αποθήκευση ενέργειας, η αυτοΐαση και η δέσμευση άνθρακα», δήλωσε ο Admir Masic, κύριος συγγραφέας της μελέτης από το MIT. «Το τσιμέντο είναι το οικοδομικό υλικό που χρησιμοποιείται περισσότερο από όλα τα άλλα στον κόσμο, οπότε γιατί να μην εκμεταλλευτούμε αυτήν την κλίμακα για να δημιουργήσουμε και άλλα πλεονεκτήματα;»

Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες επιχειρούν να προσδώσουν ηλεκτρικές ιδιότητες στο σκυρόδεμα. Το 2023, στην Ιαπωνία, τοποθετήθηκαν στο Πάρκο Οντόρι στο Σαππόρο της Ιαπωνίας πλάκες σκυροδέματος που αυτοθερμαίνονται, προκειμένου να αντιμετωπίζουν το χιόνι, που φτάνει περίπου τα 5 μέτρα τον χρόνο.

Στη νέα αυτή μελέτη, οι επιστήμονες του MIT χρησιμοποίησαν τρισδιάστατη απεικόνιση σε νανοκλίμακα για να αναλύσουν τη δομή του υλικού και παράλληλα βελτίωσαν τη σύσταση των ηλεκτρολυτών μέσα στο ίδιο το σκυρόδεμα.

Η ομάδα ανακάλυψε πως, η καλύτερη απόδοση καταγράφηκε με την προσθήκη οργανικών ηλεκτρολυτών (χρησιμοποιώντας τεταρτοταγή άλατα αμμωνίου με ακετονιτρίλιο) απευθείας στο νερό ανάμιξης, κάτι που τους επέτρεψε να δημιουργήσουν παχύτερα ηλεκτρόδια ικανά να αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, ένα κομμάτι ec³ στο μέγεθος ψυγείου μπορεί να αποθηκεύει έως και 2 κιλοβατώρες ενέργειας

Διαγνωστικό εργαλείο και αποθήκευση πράσινης ενέργειας

«Οι αρχαίοι Ρωμαίοι πρωτοπόρησαν στις κατασκευές με σκυρόδεμα. Μνημειώδη έργα, όπως το Πάνθεον, στέκονται ακόμη και σήμερα χωρίς καμία ενίσχυση», δήλωσε ο Admir Masic. «Αν συνεχίσουμε στο ίδιο πνεύμα, συνδυάζοντας την επιστήμη των υλικών με το αρχιτεκτονικό όραμα, τότε ίσως βρισκόμαστε στο κατώφλι μιας νέας αρχιτεκτονικής επανάστασης με πολυλειτουργικά σκυροδέματα όπως το ec³.»

Συνεχίζοντας τη ρωμαϊκή νοοτροπία, οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης μια μικροσκοπική καμάρα, προκειμένου να εξετάσουν πώς η δομική σταθερότητα και η αποθήκευση ενέργειας μπορούν να συνδυαστούν. Η κατασκευή λειτουργούσε στα 9 βολτ, στηρίζοντας το βάρος της και τροφοδοτώντας φωτισμό LED.

Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι το φως τρεμόπαιζε κάθε φορά που η κατασκευή δεχόταν πίεση, κάτι που μπορεί να μην είναι ιδανικό για τον φωτισμό μεγάλων χώρων όπως το Πάνθεον, αλλά αποτελεί πολύτιμο διαγνωστικό εργαλείο.

«Ίσως μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το φαινόμενο ως ένδειξη του πότε και σε ποιο βαθμό μια κατασκευή δέχεται καταπόνηση, ή ακόμη και για να παρακολουθούμε τη δομική της υγεία σε πραγματικό χρόνο», πρόσθεσε ο Masic.

Φυσικά, η πιο συναρπαστική εφαρμογή αυτών των νέων μπαταριών από σκυρόδεμα είναι η αποθήκευση πράσινης ενέργειας. Παρόλο που η παραγωγή καθαρής ενέργειας έχει εκτοξευθεί τις τελευταίες δεκαετίες, η αποθήκευσή της εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική πρόκληση. Η ευρεία χρήση του σκυροδέματος σε πόλεις και προάστια θα μπορούσε να συμβάλει ουσιαστικά στην αντιμετώπιση αυτών των ελλείψεων.

«Αυτό που μας ενθουσιάζει περισσότερο είναι ότι πήραμε ένα υλικό τόσο αρχαίο όσο το σκυρόδεμα και δείξαμε ότι μπορεί να κάνει κάτι εντελώς νέο», δήλωσε ο James Weaver, συν-συγγραφέας της μελέτης από το MIT. «Συνδυάζοντας τη σύγχρονη νανοεπιστήμη με ένα αρχαίο θεμέλιο του πολιτισμού, ανοίγουμε τον δρόμο για μια νέα μορφή υποδομής, που δεν στηρίζει απλώς τη ζωή μας, αλλά την τροφοδοτεί με ενέργεια.»