انسانها هزاران سال است که از سیمان استفاده میکنند و اولین کاربرد شناختهشده آن به حدود ۱۲۰۰۰ سال پیش برمیگردد. به همین ترتیب، کربن سیاه هزاران سال است که وجود دارد - طومارهای دریای مرده مربوط به قرن سوم پیش از میلاد با استفاده از جوهر ساخته شده از این ماده نوشته شدهاند.
محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) این مواد باستانی را برای ایجاد یک ابرخازن سیمانی برای ذخیره انرژی الکتریکی ترکیب کردهاند. فرانتس-یوزف اولم از موسسه فناوری ماساچوست میگوید: «باتریها بر اساس مواد کمیابی ساخته شدهاند که در دسترس همه نیستند، بنابراین مقیاسپذیر نیستند.» اولم و همکارانش با افزودن قابلیتهای جدید به بتن، یک راهحل دو بخشی ابداع کردند که امکان استفاده از آن را به عنوان «خازن ساختاری» فراهم میکند.
ابرخازنها
ابرخازنها به زبان ساده خازنهایی هستند که میتوانند بارهای فوقالعاده بزرگی را ذخیره کنند. مساحت کل صفحات رسانای یک خازن، ظرفیت ذخیره انرژی آن را تعیین میکند. برخلاف باتری که انرژی الکتریکی را به آرامی دریافت، ذخیره و سپس بازمیگرداند، ابرخازنها به سرعت شارژ و دشارژ میشوند. میتوان از خازن برای افزایش سریع باتری خودروهای برقی در یک جاده بیسیم یا ذخیره انرژی الکتریکی اضافی از پنلهای خورشیدی در فونداسیون بتنی یک خانه مسکونی استفاده کرد.
به طور کلی، ابرخازنها پتانسیل قابل توجهی در کمک به گذار به انرژیهای تجدیدپذیر و رفع نیاز به ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ دارند. آنها جایگزین ارزانتری برای باتریهای سنتی ارائه میدهند که در ساخت خود به مواد محدودی مانند لیتیوم متکی هستند.
این تیم دو مورد از فراوانترین مواد روی زمین را با هم ترکیب کرد: سیمان و کربن سیاه. در فرآیند تولید، با افزودن آب به مخلوط سیمان و کربن سیاه، شبکهای از کانالهای میکروسکوپی درون ساختار بتن شکل میگیرد. کربن سیاه در این کانالها ساختاری رسانا ایجاد میکند که امکان ذخیره بار الکتریکی را فراهم میسازد. پس از اشباع شدن این ساختار در یک الکترولیت مناسب و قرار گرفتن دو لایه در کنار یکدیگر، یک ابرخازن عملیاتی شکل میگیرد.
ساختمانها و جادهها میتوانند به باتری تبدیل شوند
بر اساس نتایج منتشرشده چگالی انرژی ابرخازن به حدود ۳۰۰ وات ساعت در هر متر مکعب میرسد. این مقدار برای روشن کردن یک لامپ به مدت یک روز کافی است. با این حال، اگر حدود ۴۵ متر مکعب از این ماده در فونداسیون یک ساختمان ادغام شود، یک خانه میتواند تقریباً ۱۰ کیلووات ساعت انرژی ذخیره کند. این مقدار برای تأمین نیازهای روزانه برق بسیاری از خانوارها کافی خواهد بود.
محققان تاکنون نمونههای اولیهای به اندازه سلولهای دکمهای کوچک با قطر حدود یک سانتیمتر و ضخامت یک میلیمتر تولید کردهاند که قادر به ارائه یک ولت هستند. هدف بعدی آنها توسعه یک نسخه بزرگتر ۱۲ ولتی و در نهایت گسترش این فناوری به سازههایی با حجم حداکثر ۴۵ متر مکعب است.
این تیم همچنین معتقد است که در آینده میتوان از این فناوری در جادهها استفاده کرد. در چنین سناریویی، زیرساختهای حملونقل قادر خواهند بود انرژی را ذخیره کرده و حتی امکان شارژ بیسیم خودروهای برقی در حین حرکت را فراهم کنند.
اگرچه این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد، اما میتواند چشمانداز جدیدی برای ادغام ذخیرهسازی انرژی در زیرساختهای عمرانی ایجاد کند؛ رویکردی که در آن ساختمانها و جادهها تنها مصرفکننده انرژی نیستند، بلکه به بخشی فعال از شبکه انرژی آینده تبدیل میشوند.
منابع: