Исследователи из Массачусетского технологического института превратили бетон в суперконденсатор с помощью одной простой добавки — сажи. Она добавляется в цемент в процессе замешивания бетона. После отвердевания получается углеродный электрод колоссальной площади, из которого можно сделать суперконденсатор. Это позволит накапливать электрическую энергию в фундаменте, стенах и других конструкциях из бетона.
Источник изображения: MIT
Новая разработка может сделать накопитель энергии неотъемлемым элементом архитектуры. Главное, что это довольно просто, хотя вопросы изготовления, эксплуатации и безопасности подобных накопителей — это пока чистый лист. Идея базируется на том, что в процессе замешивания раствора вода распределяет углеродный материал (сажу или что-то подобное) по объёму бетона в виде разветвлённых потоков от более широких к узким.
После застывания смеси в ней формируется токопроводящий электрод большой площади. Для превращения его в суперконденсатор необходимо два таких электрода, разделённых перегородкой или расстоянием. Также всё это изделие необходимо пропитать (погрузить) в обычный электролит, например, в раствор хлорида калия.
По подсчётам учёных, ёмкость такого элемента составит 10 кВт·ч для 43 м3 бетона. Это примерный объём бетона для среднего в США частного дома с подъездными дорожками и гаражами. Запасённой таким образом энергии может хватить на ночь обслуживания электричеством, что в дополнение к солнечной ферме на крыше может сделать получение энергии условно бесплатным мероприятием.
Одно из полезнейших свойств разработки — это её неограниченное масштабирование. В рамках испытаний авторы проекта создали небольшие суперконденсаторы размером с батарейки-таблетки диаметром 1 см и толщиной 1 мм, обеспечив им рабочее напряжение в 1 В. Объединив три таких суперконденсатора, они зажгли светодиод на 3 В. Теперь они постепенно увеличивают размеры элемента, продвигаясь от блока размером со стандартный автомобильный аккумулятор на 12 В к бетонному блоку на 45 м³ — он должен продемонстрировать возможность обеспечить питанием целый дом.
Учёные также обнаружили, что существует обратная зависимость между ёмкостью и прочностью материала: чем больше в нём углерода, тем больше энергии он вмещает, но бетон становится немного слабее. Это может оказаться полезным в тех областях, где бетон не служит элементом конструкции, и где его потенциал прочности не задействуется. Они установили, что для фундамента и структурных элементов ветряной турбины «золотой серединой» оказываются 10 % углеродного компонента в растворе.
Ещё одной потенциальной возможностью применения новых суперконденсаторов являются бетонные дороги, которые накапливают энергию устанавливаемых вдоль них солнечных панелей и передают её электромобилям при помощи электромагнитной индукции — аналогичным образом работает беспроводная зарядка мобильных телефонов. Подобные дороги разрабатываются в Германии и Нидерландах, но эти проекты предусматривают стандартные аккумуляторы.
На начальных этапах технология углеродно-цементных суперконденсаторов, уверены учёные, пригодится при строительстве изолированных домов, зданий и убежищ вдали от электросети. Решение предлагает большую гибкость: свойства суперконденсатора можно регулировать, изменяя соотношения компонентов в смеси. К примеру, в случаев автодорог потребуются высокие скорости зарядки и разрядки, тогда как в случае жилого дома есть целый день, чтобы достичь необходимого заряда. Наконец, этот многофункциональный материал может служить не только в качестве суперконденсатора — если подать на него электричество, он превратится в систему отопления.