Включение угля в состав цемента привело к созданию проводящего материала, который может использоваться для создания накопителя энергии. В случае успешного масштабирования этой инновационной технологии, дома и дороги смогут аккумулировать электричество непосредственно в своем фундаменте, обеспечивая питание для бытовых устройств и электромобилей.
Цемент, являющийся основой бетона, обладает крайне низкой электропроводностью. Однако исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали способ придания ему способности проводить электричество, добавив технический углерод. Полученный таким образом материал может быть использован для производства ионисторов – устройств с высокой эффективностью накопления заряда. Эффективность такого «бетонного аккумулятора» была подтверждена, благодаря ему была запитана обычная лампочка. Статья Франка-Йозефа Ульма (Franz-Josef Ulm) и его коллег опубликована в журнале PNAS.
Ионисторы (суперконденсаторы – это простые и действенные устройства, находящиеся между конденсаторами и аккумуляторами. Как и конденсаторы, они обладают проводящими электродами, выполняющими роль «обкладок». В то же время, как и аккумуляторы, они содержат проводящий электролит, расположенный между электродами и отделенный мембраной, проницаемой для ионов. Приложение напряжения к электродам позволяет накапливать заряды, разделяя их с помощью мембраны. Использование негорючих электролитов обеспечивает высокую степень безопасности данной системы.
Инженеры и физики непрерывно работают над интеграцией ионисторов в различные конструкционные материалы, в том числе бетон. Новое решение этой задачи было предложено командой исследователей из MIT. В ходе работы авторы смешали цемент с тремя-четырьмя процентами технического углерода (мелкая графитовая пыль была смешана с водой. Цемент обладает хорошей гигрофильностью, в то время как углерод гидрофобен, поэтому он формирует комки и волокна. В результате внутри затвердевшей структуры возникла проводящая сеть.
Электроды можно изготовить из двух блоков этого материала: исследователи расположили между ними мембраны и добавили электролит (хлорид калия), получив ионистор небольшого размера, сопоставимого с пуговицей. Затем Ульм и его коллеги показали работоспособность устройства, успешно запитав от него светодиод. Расчеты ученых показали, что емкости этой «бетонной батарейки» достаточно для накопления до 10 киловатт-час энергии в фундаменте типичного частного дома (в США – со средним объемом 45 кубометров), что обеспечит электроэнергией обитателей дома на сутки.
Значительное преимущество заключается в том, что для создания «бетонной батарейки» применяются доступные и распространенные материалы, известные с глубокой древности. Эти процессы легко сочетать с уже существующим производством бетонных изделий. Если новый подход удастся масштабировать, то в накопители энергии можно превратить почти любые строительные сооружения, включая заряжающие дороги для электромобилей и накапливающие энергию фундаменты для ветряков. Недаром Ульм с соавторами уже запатентовал свою технологию.