Цемент, який може забезпечити будинки електрикою. Вчені винайшли унікальний матеріал

Цемент - найпоширеніший будівельний матеріал у світі. Він також може забезпечувати наші будинки електрикою, вважають вчені.

На лабораторному столі Массачусетського технологічного інституту (MТІ) стоять цементні циліндри, залиті рідиною й перевиті кабелями. Для стороннього спостерігача - мало що зрозуміло. Але потім Дем'ян Стефанюк клацає вимикачем. Блоки зі штучного каменю підключаються до світлодіоду і лампочка оживає.

"Спочатку я не повірив, - каже Стефанюк, описуючи, як спалахнув світлодіод. - Я думав, що не вимкнув зовнішнє джерело живлення".

Виявляється, цей шматок цементу може стати основою для недорогої системи зберігання енергії.

Сьогодні найпопулярнішими джерелами відновлюваної енергії є вітер, сонце і вода.

Але вони працюють з перебоями: сонце не завжди світить, вітер не завжди дме, а рівень води може впасти. Це створює проблему в нашому голодному до енергії світі.

Тому енергію доводиться зберігати в акумуляторах, заснованих на таких матеріалах, як літій - який часто називають "білим золотом" через високу вартість.

Літій - один з ключових компонентів літій-іонних батарей, що забезпечують живлення електромобілів, смартфонів і багатьох інших електронних пристроїв.

Потреба у цьому металі постійно зростає – разом із попитом на електромобілі. Тому, за даними Міжнародного енергетичного агентства, вже у 2025 році у світі може виникнути дефіцит літію.

При цьому методи видобутку літію часто викликають суперечки, оскільки розробка його родовищ займає кілька років і погано впливає на довкілля.

Тут і приходять на допомогу Стефанюк і його цемент.

Він з колегами з Массачусетського технологічного інституту створили пристрій зберігання енергії (суперконденсатор) з трьох дешевих матеріалів – води, цементу й технічного вуглецю, або простіше кажучи - сажі.

Акумуляторні батареї й конденсатори призначені для зберігання енергії, але принцип роботи у них різний.

Суперконденсатори можуть зберігати більше енергії, ніж літій-іонні батареї, і їх можна швидко заряджати.

Однак суперконденсатори мають значно коротший термін служби, ніж літій-іонні батареї, і їхня щільність енергії значно нижча. Це робить їх менш корисними в таких пристроях, як мобільні телефони, ноутбуки чи електромобілі, де потрібна стабільна подача енергії протягом тривалого часу.

З усім тим, на думку Стефанюка, вуглецево-цементні суперконденсатори можуть допомогти скоротити викиди парникових газів.

"Якщо цю технологію вдасться масштабувати, вона допоможе розв'язати важливу проблему - зберігання відновлюваної енергії", - стверджує науковець.

Вчені з Массачусетського технологічного інституту та Інституту біологічної інженерії Вісса планують кілька варіантів застосування своїх суперконденсаторів.

Перший - для створення доріг, які будуть накопичувати сонячну енергію, а потім вивільняти її для підзарядки електромобілів під час руху.

Інший варіант — фундаменти будинків, що акумулюють енергію: "стіни, фундамент або колони, які не лише підтримують конструкцію, а й зберігають енергію", — каже Стефанюк.

Але до цього поки ще далеко. Наразі цементний суперконденсатор накопичує трохи менше ніж 300 ват-годин на кубічний метр — цього достатньо, щоб живити 10-вольтну світлодіодну лампочку протягом 30 годин.

Така потужність "може здатись низькою у порівнянні зі звичайними батареями, але бетонного фундаменту у 30–40 кубічних метрів достатньо для задоволення щоденних енергетичних потреб житлового будинку", — каже Стефанюк.

"З огляду на широке використання цементу в усьому світі, цей матеріал потенційно може стати висококонкурентним й корисним для зберігання енергії".

Принцип роботи конденсатора - простий.

Він складається з двох електропровідних пластин, занурених в електроліт і розділених мембраною. І працює завдяки високій провідності технічного вуглецю (сажі).

Вода природним чином утворює розгалужену мережу отворів усередині конструкції при взаємодії з цементом, а вуглець мігрує в ці отвори, утворюючи відгалуження всередині затверділого цементу.

Відгалуження нагадують кореневу систему дерев, яка заповнює надзвичайно велику площу поверхні.

Готовий матеріал просочують стандартним електролітом, як-от хлорид калію (різновид солі), який забезпечує утворення заряджених частинок, що накопичуються у вуглецевих структурах.

Коли до просочених сіллю пластин подають електричний струм, утворюється електричний подвійний шар, що дозволяє зберігати велику кількість енергії.

Тому такий пристрій може виявитись корисним для накопичення надлишкової зеленої енергії. Це дозволить зменшити навантаження на мережу в періоди, коли вітер не дме і сонце не світить.

"Простим прикладом може бути автономний будинок, що живиться від сонячних панелей: вдень в хід йде сонячна енергія, а вночі - енергія, збережена, наприклад, у фундаменті", - пояснює Стефанюк.

Суперконденсатори – не ідеальні. Вони швидко заряджаються, але й швидко віддають заряд.

Тому не можуть забезпечити стабільне живлення будинку протягом дня.

Стефанюк каже, що вони з колегами працюють над рішенням, яке дозволить покращити їхню вуглецево-цементну версію шляхом коригування суміші.

Можуть виникнути й інші проблеми: додавання більшої кількості технічного вуглецю дозволяє суперконденсатору зберігати більше енергії, але робить бетон трохи слабшим.

Але це ще не все.

Вуглецево-цементні суперконденсатори негативно впливають на довкілля. На виробництво цементу припадає 5-8% світових викидів вуглецю.

Цю проблему допоможе вирішити виробництво цементу з низьким рівнем викидів, вважає Майкл Шорт з Тіссайдського університету.

Його колеги вже працюють над розробкою "чистого" цементу з побічних продуктів сталеливарної та хімічної промисловості.

Такі проєкти, як виробництво безвуглецевого цементу та енергоакумулювального цементу, відкривають перспективу, в якій наші офіси, дороги й будинки функціонуватимуть на екологічно чистій енергії, резюмує вчений.