Mi lenne, ha az otthonunk is egy nagy akkumulátor lenne? Az MIT kutatói új módszert dolgoztak ki az elektromos energia cementben való tárolására, ráadásul mindezt olyan anyagokkal oldották meg, amelyek olcsók és bőségesen rendelkezésre állnak. Az anyag például egy ház aljzataként alkalmazva elegendő energiát tárolhatna az adott otthon napi energiaszükségleteinek kielégítésére. De akár utakat is lehetne építeni belőle, amelyek menet közben is energiával látják el az elektromos járműveket. Ha sikerülne olcsón és nagy mennyiségben megvalósítani a fejlesztést, az előrelépés szinte korlátlan kapacitást kínálhat az időszakos megújuló forrásokból, például a nap- és szélerőművekből származó energia tárolására – ami a terület legnagyobb problémája.
A kísérleti cementeszközök egyelőre meglehetősen kicsik, mindössze néhány LED-izzót táplálására alkalmasak. De már folynak erőfeszítések a méretük növelésére. A fejlesztés egyfajta egyszerűsített akkumulátor: úgynevezett szuperkondenzátorokat hoztak létre cement alapból. Ezek két elektromosan vezető lemezből állnak, amelyeket ionvezető elektrolit és egy vékony membrán választ el egymástól. Az eszköz feltöltésekor az egyik lemezen az elektrolitból származó pozitív töltésű ionok, míg a másik lemezen negatív töltésű ionok halmozódnak fel.
Az tárolt energiamennyiség a szuperkondenzátor vezető lemezeinek teljes felületétől függ. A kutatók évtizedek óta próbálják beépíteni őket különféle szerkezeti anyagokba, például az utakban és épületekben használt betonba vagy az autó- és repülőgépek karosszériáiban használt szénkompozitokba. A mai legjobb akkumulátorokkal ellentétben a szuperkondenzátorok általában nem gyúlékony elektrolitokat használnak, ami biztonságosabbá teszi őket.
A probléma az, hogy a beton egyik fő összetevője, a cement általában rossz elektromos vezető. Ezért az elmúlt években több csoport úgy készített szerkezeti szuperkondenzátorokat, hogy a cementet a szén nagy vezetőképességű formáival, például grafénnal vagy szén nanocsövekkel „fűszerezték”. És bár ezek jól teljesítenek, az összetevők drágák és nehezen előállíthatóak a cementiparban használt hatalmas mennyiségben, jegyzi meg Franz-Josef Ulm, az MIT építőmérnöke.
Ulm és kollégái olcsóbb alternatívát keresve a porított szén egy ősi formájához, a koromhoz fordultak, amelyet az ókor óta használnak fekete pigmentként. Az olcsó és világszerte nagy mennyiségben előforduló korom nagymértékben vezetőképes. Ulm és csapata kis mennyiségű kormot cementporral kevert össze, és vizet adott hozzá. A víz és a cement könnyen keveredik, a korom részecskéi azonban taszítják a vizet, és hajlamosak benne összecsomósodni, és hosszú, tekervényes „indákat” alkotnak a megszilárduló cementben, amelyek úgy viselkednek, mint egy dróthálózat.
Ulm és kollégái ezt a „drótozott” cementet kis lemezekre vágták, és így 1 milliméter vastag és 1 centiméter széles, körülbelül gombméretű szuperkondenzátorokat hoztak létre. Miután hozzáadtak egy membránt, egy kálium-kloridból és vízből készült elektrolitot, lezárták a szendvicsszerkezetet. Amikor ezután vezetéket csatlakoztattak a lemezekhez, a cement szuperkondenzátorok egy sor LED-lámpát működtettek.
Ha a szénhálózatos cementből 45 köbméternyi betont készítünk – nagyjából annyit, amennyit egy átlagos ház alapozásához használnak –, akkor 10 kilowattóra energiát tudnának tárolni, ami a háztartás egy napig tartó áramellátásához elegendő, írják a kutatók a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban megjelent tanulmányukban. Ha ugyanezt a megközelítést használnák utak, parkolók vagy felüljárók építésére, a villamosított beton még több megújuló energiát tárolhatna, amelyet indukciós töltőkön keresztül juttathatna el az elektromos járművekhez.
Admir Masic, az MIT vegyésze és egy tanulmány társszerzője szerint a drágább akkumulátorok olcsóbb alternatíváját kínáló, villamosított cement a fejlődő országok számára is megfizethetőbbé teheti a megújuló energia tárolását. Ezzel egy új szintre léphetünk az energiatárolás terén, a világon bárhol elérhető áron valósítva meg azt, mondja a szakértő.
A siker érdekében persze a kutatóknak a gombméretű lemezeket nagyobb méretekben is elő kell állítani, és kipróbálni. Ez pedig nem egyszerű feladat. Ahogy a szuperkondenzátorok egyre nagyobbak, az elektromos vezetőképességük jellemzően csökken, ami megnehezíti az energia betáplálását és kivételét. Az egyik megoldás, jegyzi meg Ulm, hogy egyszerűen több kormot adnak a keverékhez, de csak annyit, hogy még ne gyengítse a cement szerkezeti integritását. A szerkezeti beton esetében a kutatók úgy találták, hogy akár 10% szenet is hozzáadhatnak anélkül, hogy veszélyeztetnék a szilárdságot. A csapat most azon dolgozik, hogy egy 12 voltos autóakkumulátor teljesítményének megfelelő méretben valósítsa meg a fejlesztést.
