Asger Risom
Forskare har förvandlat vanlig betong till en massiv energilagrande superkondensator genom att blanda cement och vatten med ledande kimrök. Det hydrofoba sotet självorganiserar sig till ett mikroskopiskt elektriskt nätverk inuti den härdande plattan, vilket gör att byggnadsgrunder och vägbeläggningar kan lagra solenergi utan att förlita sig på knappa, brandfarliga litiumbatterier.
Om du vill driva ditt hem med solpaneler efter solnedgången är alternativen ganska begränsade. Du kan antingen betala tusentals US-dollar för ett väggmonterat litiumjonbatteripaket eller förlita dig på ett regionalt elnät som sannolikt förbränner naturgas när efterfrågan ökar. Litiumbatterier fungerar tillräckligt bra, men de är dyra, bygger på tungt brutna mineraler som nickel och kobolt, och medför en liten men ihållande risk att fatta eld.
Ett team av materialforskare vid MIT har kommit på ett radikalt lågteknologiskt alternativ: sluta köpa separata batterier och förvandla betonggrunden under ditt hus till ett.
Genom att kombinera världens vanligaste byggmaterial med vatten och en nypa industriellt sot har forskare förvandlat vanlig betong till en kraftfull superkondensator. Resultatet är ett energilagringssystem byggt av den bokstavliga jorden och stenen som håller upp dina väggar, kapabelt att lagra en hel dags hushållsel utan en enda droppe giftig syra.
Hur sot bygger en mikroskopisk krets
För att förstå hur ett betongblock håller en elektrisk laddning måste du titta på vad som händer när det torkar.
När du blandar vatten med cementpulver reagerar vattnet med mineralerna för att bilda ett härdande kristallint gitter. När betongen härdar rör sig vattnet genom mikroskopiska kanaler och porer, avdunstar långsamt eller absorberas i den kemiska reaktionen.
Forskarna insåg att de kunde kapa dessa vattenvägar. När de introducerade kimrök – ett ultrafint, mycket ledande pulver tillverkat av oförbränd petroleum eller växtmaterial, historiskt använt som svart pigment – hände något anmärkningsvärt. Eftersom kimrök är hydrofobt, stöter det bort vatten. När den härdande cementen pressade vattnet in i förgrenade kanaler, tvingades kolpartiklarna med på färden.
Som beskrivs i teamets forskning publicerad i PNAS, självorganiserar kimröken sig till ett obruten, fraktalliknande nätverk av ledande trådar som löper genom varje kubikmillimeter av plattan. I stället för ett inert stenblock blir den härdade betongen en elektrokemiskt aktiv matris packad med mikroskopiska motorvägar.
Kraften i fysisk statisk elektricitet
Till skillnad från ett typiskt kemiskt batteri, som genererar elektricitet genom långsamma, nedbrytande kemiska reaktioner, fungerar denna betong som en superkondensator.
Superkondensatorer genererar inte ström kemiskt. De lagrar den fysiskt, som statisk elektricitet på en ballong. När två plattor av kolinfunderad betong separeras av en isolerande barriär och blötläggs i en enkel saltelektrolyt som kaliumklorid, drar elektrisk spänning laddade joner direkt till den enorma inre ytan av kolnätverket.
Eftersom superkondensatorer förlitar sig på fysisk laddning snarare än kemiska bindningar, laddas och urladdas de nästan omedelbart. De lider inte av det kemiska slitage som dödar ett telefonbatteri efter tre år; de kan cykla genom hundratusentals laddningar utan att försämras.
Den huvudsakliga historiska nackdelen med superkondensatorer har alltid varit energitätheten – de lagrar generellt sett mycket mindre total energi än en litiumjoncell av samma vikt. Men när ditt batteri är en hel husgrund upphör vikt att spela roll. Enligt MIT News skulle ett standardgrundblock på cirka 45 kubikmeter av detta material kunna lagra ungefär 10 kilowattimmar energi – tillräckligt för att driva ett genomsnittligt hushåll i 24 timmar.
Den strukturella avvägningen
Den verkliga ingenjörsutmaningen är inte att få betongen att leda elektricitet; det är att förhindra att taket rasar in.
Kimrök tillför inte strukturell styrka. Ju mer sot du lägger till i blandningen för att öka den elektriska lagringen, desto svagare blir betongen. I initiala tester gjorde för mycket kol i blandningen betongen spröd och porös.
MIT-teamet hittade en optimal punkt vid cirka 3 procent kimrök i volym. Vid den koncentrationen behåller betongen tillräcklig tryckhållfasthet för att enkelt klara arkitektoniska byggnormer för bostadsgrunder, samtidigt som den behåller tillräcklig elektrisk kapacitet för att fungera som ett funktionellt hembatteri.
Tillämpningen sträcker sig långt bortom förortsbasement. Civilingenjörer tittar redan på att integrera detta material i motorvägsinfrastruktur, för att skapa vägytor som trådlöst skulle kunna ladda rörliga elfordon via induktionsspolar inbäddade direkt i beläggningen.
Vi har tillbringat det senaste decenniet med att anta att omställningen till ren energi krävde utvinning av exotiska metaller djupt inne i jorden. Det visar sig att det enklaste sättet att lagra energi kanske bara ligger i gruset och sotet under våra fötter.
