Учёные Массачусетского технологического института (MIT) продолжают развивать идею батареи из цемента, что обещает в корне изменить подход к строительству. Ещё в 2023 году учёные разработали проводящий электроны углеродный бетон (ec3), смешивая цемент, воду и технический углерод, превращая кирпичи, фундамент или бетонные плиты в суперконденсаторы для хранения возобновляемой энергии. Новая батарея превзошла все ожидания.

Фитнес-браслет HUAWEI Band 10: настоящий металл

Почему ИИ никак не сесть на безматричную диету

Пять причин полюбить HONOR Pad V9

Пять причин полюбить HONOR Magic7 Pro

Пять причин полюбить HONOR X8c

Hollow Knight: Silksong — песнь страданий и радостей. Рецензия

Обзор умных часов HUAWEI WATCH 5: часы юбилейные

HUAWEI FreeArc: вероятно, самые удобные TWS-наушники

Источник изображений: MIT

Благодаря совершенствованию технологии с возможностью изучать структурные элементы бетонной батареи в процессе работы с помощью волоконно-оптической томографии и других инструментов, ёмкость хранения энергии удалось увеличить в девять раз, что приближает технологию к практическому применению в строительстве.

Ключевые характеристики обновлённого бетона впечатляют: всего 5 м³ материала — объёмом с обычную стену подвала — достаточно для покрытия суточных энергопотребностей среднего дома. Ранее для той же цели требовалось 45 м³, что делало технологию менее привлекательной. Один кубический метр ec3, сопоставимый по размеру с холодильником, хранит более 2 кВт·ч энергии, способной обеспечить работу того же холодильника в течение суток.

Улучшения достигнуты также в процессе поиска оптимального электролита — им пропитывается слой бетона между цементными электродами с включением очищенной сажи (технического углерода). Наилучшим оказался органический электролит на основе ацетонитрила с солями четвертичного аммония, повысивший эффективность накопления энергии.

Для демонстрации возможностей бетона ec3 команда MIT вдохновилась древнеримской архитектурой и создала модель арки, включающей электроды суперконденсатора. Эта конструкция не только выдерживала соответствующие нагрузки, но и питала светодиодную подсветку на 9 В, иллюстрируя комбинацию несущей способности и энергоносителя.

Наборной элемент из бетона с пропиткой электролитом питает вентилятор и игровую консоль

При увеличении нагрузки наблюдался интересный эффект: начинал мигать светодиод, что, по словам учёных, может служить примером встроенной системы самоконтроля конструкций. В реальных строениях такое сочетание арки и батареи могло бы сигнализировать о стрессе материала от ветра или других факторов, позволяя следить за целостностью конструкции.

Проделанная работа может рассматриваться как первые шаги к переосмыслению бетона — самого распространённого материала на планете — как многофункционального элемента чистой энергетики, способствующего развитию решений для хранения солнечной и ветровой энергии.

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.

Почему ИИ никак не сесть на безматричную диету

Обзор умных часов HUAWEI WATCH 5: часы юбилейные

Пять причин полюбить HONOR Magic7 Pro

Пять причин полюбить HONOR X8c

Фитнес-браслет HUAWEI Band 10: настоящий металл

Пять причин полюбить HONOR Pad V9

Hollow Knight: Silksong — песнь страданий и радостей. Рецензия

HUAWEI FreeArc: вероятно, самые удобные TWS-наушники

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.

Hollow Knight: Silksong — песнь страданий и радостей. Рецензия

Фитнес-браслет HUAWEI Band 10: настоящий металл

HUAWEI FreeArc: вероятно, самые удобные TWS-наушники

Пять причин полюбить HONOR Pad V9

Обзор умных часов HUAWEI WATCH 5: часы юбилейные

Почему ИИ никак не сесть на безматричную диету

Пять причин полюбить HONOR X8c

Пять причин полюбить HONOR Magic7 Pro

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.