В странах с холодным климатом вопросы уборки снега и льда с транспортных магистралей — это постоянная и крайне дорогостоящая проблема. В США на очистку дорог зимой ежегодно тратится свыше $2,3 млрд. И это не считая последствий аварий, часто с трагическим концом. Учёные из Пенсильвании создали незамерзающее дорожное покрытие, которое с помощью эффекта фазового перехода могло бы самостоятельно разогреваться и освобождаться от снега и льда.

Источник изображения: Drexel University

В качестве присадки к бетону для заливки дорог исследователи из Дрексельского университета (Drexel University) использовали парафин. Это получаемое из нефти органическое соединение способно выделять тепло при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Тем самым парафин в составе бетона должен разогревать дорожное покрытие в процессе отвердевания при охлаждении окружающей среды ниже определённой температуры. В идеале — при достижении температуры замерзания воды.

Рядом с парковкой университета учёные залили три плиты со сторонами 76 × 76 см каждая: одну без каких-либо добавок, вторую с микрокапсулами парафина и третью с пористым естественным наполнителем (типа щебня), предварительно выдержанным в парафине. За плитами было установлено видеонаблюдение и слежение с помощью датчиков. Их состояние и состояние снежного покрытия на плитах отслеживалось три года, что позволило сделать далеко идущие выводы.

Выяснилось, что самым эффективным оказалось покрытие с наполнителем, предварительно выдержанным в парафине. Температура такого покрытия плавно снижалась в течение 10 часов, поддерживая в материале плюсовую температуру (от 5,6 °C до 12,8 °C) и не давая образовываться на нём льду и собираться слою снега. Затем материал «перезаряжался» на следующие сутки во время дневного повышения температуры и снова начинал работать после снижения температуры ночью. При затяжном снижении температуры всё это не работает, но в межсезонье и оттепели — вполне, что лучше, чем ничего, когда бетон промерзает, а вода в трещинах начинает пучить покрытие.

Бетон с микрогранулами парафина показал себя хуже. Он выделял тепло в два раза быстрее — примерно за пять часов. Учёные объяснили это тем, что в пористых присадках парафин медленнее переходил из жидкой фазы в твёрдую и дольше отдавал тепло покрытию. Так, переход в твёрдую фазу у парафина в пористых присадках начинался при охлаждении до 3,9 °C, тогда как в виде микрогранул фазовый переход начинался при охлаждении до 5,6 °C. Позже начал работать — отдавал тепло дольше. Это правило позволит повысить эффективность саморазогрева бетона простым способом.

«Мы продемонстрировали, что наш самонагревающийся бетон способен растапливать снег самостоятельно, используя только дневную тепловую энергию окружающей среды — и делать это без помощи соли, лопат или систем подогрева, — говорят авторы исследования. — Этот самонагревающийся бетон подходит для горных и северных регионов США, таких как Северо-Восточная Пенсильвания и Филадельфия, где зимой случаются подходящие циклы нагрева и охлаждения».

Учёные представили новую технологию хранения энергии, которая использует недорогие материалы: воду, цемент и технический углерод. Дороги и фундаменты домов теперь смогут стать источником энергии в виде углеродно-цементных суперконденсаторов.

Источник изображения: Simone Hutsch/Unsplash

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета разработали инновационный способ хранения энергии, используя воду, цемент и технический углерод (сажу), сообщает BBC. Как выяснилось, технология имеет потенциал для решения проблемы хранения возобновляемой энергии и снижения зависимости от природных ресурсов, таких как литий.

Дамиан Стефанюк (Damian Stefaniuk), один из ведущих исследователей проекта, описал момент, когда впервые загорелся светодиод, подключенный к бетонному суперконденсатору, как «чудесный день». Первоначально многие не верили, что это возможно, но последовательное соединение нескольких суперконденсаторов позволило получить напряжение 3 В, достаточное для питания светодиода. Далее исследователи увеличили напряжение до 12 В и даже смогли запитать портативную игровую консоль.

Источник изображения: Damian Stefaniuk

Суперконденсаторы обладают рядом преимуществ перед литийионными аккумуляторами, так как они заряжаются гораздо быстрее и не подвержены снижению ёмкости со временем. Однако, они также быстро разряжаются, что ограничивает их применение в устройствах, требующих стабильной зарядки в течение длительного времени, таких как смартфоны, ноутбуки или электромобили.

Тем не менее, исследователи видят большой потенциал в применении углеродно-цементных суперконденсаторов для хранения избыточной энергии, получаемых возобновляемыми источниками, главным образом на ветряных и солнечных электростанциях. Это позволит снизить нагрузку на электросеть в периоды, когда не дует ветер и не светит Солнце. Среди возможных вариантов применения указываются создание дорог, накапливающих солнечную энергию для беспроводной подзарядки электромобилей, и фундаментов домов, хранящих энергию для питания жилых помещений.

На данный момент, кубический метр бетонного суперконденсатора может хранить около 300 Вт·ч энергии, что достаточно для питания 10-ваттной светодиодной лампы в течение 30 часов. Исследователи планируют построить более объёмные версии оборудования, в том числе суперконденсатор до 45 кубических метров, способный хранить около 10 кВт·ч энергии, что достаточно для питания целого дома в течение дня.

Однако технология ещё не идеальна. Добавление большего количества технического углерода повышает ёмкость суперконденсатора, но одновременно снижает прочность бетона. Кроме того, производство цемента само по себе является источником до 8 % антропогенных выбросов CO₂ в мире. Тем не менее, исследователи работают над оптимизацией состава бетона и рассматривают возможность использования цемента с низким уровнем выбросов, производимого из побочных продуктов сталелитейной и химической промышленности.

Майкл Шорт (Michael Short), руководитель Центра устойчивой инженерии при Университете Тиссайд в Великобритании, считает это исследование многообещающей инновацией, открывающей множество интересных возможностей использования искусственной среды в качестве носителя энергии. Однако, он также отмечает, что часто новые открытия сталкиваются с проблемами при переходе от лабораторных условий к широкому развёртыванию. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более эффективных и экологически чистых решений для хранения энергии.

Знаменитый баскетболист Рик Фокс (Rick Fox), выступавший в прошлом за «Лос-Анджелес Лейкерс» и снимавшийся в кино, создал стартап, который на Багамских островах построил первый в мире дом из альтернативного бетона, способного поглощать углекислый газ из атмосферы. Этот проект направлен на борьбу с климатическими изменениями и предполагает строительство ещё 999 таких домов на территории маленького островного государства.

Partanna

Рик Фокс является генеральным директором и соучредителем стартапа Partanna, занимающегося производством экологически чистых строительных материалов. Если компании удастся добиться успеха на Багамах, то в дальнейшем она намерена расширить бизнес, чтобы сделать альтернативный бетон используемым повсеместно материалом. Предполагается, что в конечном счёте это позволит существенно снизить уровень загрязнения окружающей среды от строительства.

Принято считать, что бетон является одним из основных источников выбросов парниковых газов, из-за которых возникают более сильные штормы, лесные пожары и другие климатические катастрофы. На самом деле с выбросами парниковых газов связан цемент, являющийся ключевой составляющей бетона. На его долю приходится более 8 % от объёма выбросов углекислого газа по всему миру.

Вскоре после того, как в 2019 году на Багамы обрушился ураган Дориан, разрушивший 75 % домов на наиболее пострадавшем от стихии острове Абако, Фокс познакомился с калифорнийским архитектором Сэмом Маршаллом (Sam Marshall), чей дом сгорел во время лесных пожаров в 2018 году. Объединив усилия с учёными, занимающимися материаловедением, они придумали технологию изготовления бетона без использования углеродоёмкого цемента и основали компанию Partanna.

Подробности касательно технологии создания экологически чистого бетона не разглашаются, но известно, что основными его ингредиентами являются соляной раствор из опреснительных установок и шлак — побочный продукт при производстве стали. По данным Partanna, разработанная в компании смесь затвердевает при температуре окружающей среды, благодаря чему для создания строительных блоков не нужно использовать специальные печи. Отмечается, что связующие компоненты смеси поглощают углекислый газ из атмосферы и задерживают его внутри материала. После возведения дома из такого бетона процесс поглощения углекислого газа продолжается.

Таким образом, стартап Partanna может назвать свой первый дом «углеродно-отрицательным». По подсчётам специалистов компании, строение площадью 116 м² поглощает количество углекислого газа, сопоставимое с этим же показателем у 5200 взрослых деревьев. Стоит отметить, что основные материалы для создания альтернативного бетона стартап получает с энергоёмких металлургических и опреснительных предприятий, которые сами по себе могут производить огромные выбросы углекислого газа. Этот факт не учитывался при оценке углеродного следа компании. «Это не наша забота <…> Это отходы, которые мы берём и используем во благо», — считает Фокс.