Батареи для обогрева домов будут делать из цемента

Представьте себе целое двадцатиэтажное бетонное здание, которое может накапливать энергию, как гигантская батарея. Благодаря уникальному исследованию Технологического университета Чалмерса, Швеция, такое видение когда-нибудь может стать реальностью.

Исследователи из Департамента архитектуры и гражданского строительства недавно опубликовали статью, в которой описывается новая концепция аккумуляторных батарей — из цемента.

Постоянно растущая потребность в экологически чистых строительных материалах ставит перед исследователями большие задачи. Доктор Эмма Чжан, ранее работавшая из Технологического университета Чалмерса, Швеция, несколько лет назад присоединилась к исследовательской группе профессора Лупинга Тана, чтобы искать строительные материалы будущего. Вместе им удалось разработать первую в мире концепцию аккумуляторной батареи на основе цемента.

Концепция включает сначала смесь на основе цемента с добавлением небольшого количества коротких углеродных волокон для увеличения проводимости и прочности на изгиб. Затем в смесь встроена сетка из углеродного волокна с металлическим покрытием — железо для анода и никель для катода. После долгих экспериментов это прототип, который сейчас представляют исследователи.

В ходе исследования Люпинга Тан и Эммы Чжан была получена перезаряжаемая батарея на цементной основе со средней плотностью энергии 7 Вт-часов на квадратный метр (или 0,8 Вт-часов на литр). Плотность энергии используется для выражения емкости батареи, и по скромным оценкам производительность новой батареи Чалмерса может быть более чем в десять раз выше, чем у предыдущих попыток создания конкретных батарей. Плотность энергии по-прежнему низкая по сравнению с коммерческими батареями, но это ограничение можно преодолеть благодаря огромному объему, при котором батарея может быть сконструирована при использовании в зданиях.

Возможности для коммерциализации такой идеи — если она окажется действительно работоспособной — поразительные. Помимо энергоснабжения технологию можно использовать для питания светодиодов, обеспечения связи 4G в отдаленных регионах, защиты катодов от коррозии. В сочетании с солнечными панелями такие дома могли бы становиться источником энергии для систем наблюдения и мониторинга, например, мостов или автотрасс, где сенсоры следят за появлением трещин и коррозии в бетоне.

Главную сложность в реализации такой идеи описала Эмма Чжан, одна из руководителей исследования: «Поскольку бетонные сооружения обычно строят на 50 и более лет, батареи нужно улучшить, чтобы они соответствовали им, или чтобы их проще было заменять и перерабатывать, когда срок их службы выходит. Пока это главная проблема с технической точки зрения».

В тему

Создан бетон, который отлично проводит электричество и легко нагревается

Бетон — самый распространенный строительный материал в мире. Но его можно сделать еще полезнее. Это доказали инженеры из Франции и США, разработавшие рецепт бетона, который проводит электричество и вырабатывает тепло. Они предлагают использовать его для обогрева помещений.

Обычно бетон не проводит электричество, но недавние исследования показали, что сделать его проводящим возможно, если добавить углерод в определенной форме. В данном случае, выбор специалистов Национального центра научных исследований Франции и MIT пал на нанокарбон — дешевый углеродный материал с отличной проводимостью. Достаточно всего 4%, чтобы бетон стал проводить электрический ток — и в результате, отдавать тепло, сообщает New Atlas.

«Джоулев (или резистивный) нагрев вызван взаимодействием движущихся электронов и атомов в проводнике, — сказал Николя Шаню, соавтор исследования. — Ускоренные электроны в электрическом поле обмениваются кинетической энергией каждый раз, когда сталкиваются с атомом, включая вибрацию атомов в решетке, что проявляется в виде тепла и роста температуры в материале».

В ходе испытаний ученые обнаружили, что бетон с нанокрбоном крайне эффективно вырабатывает джоулево тепло. Напряжения всего в пять вольт хватало, чтобы увеличить температуру поверхности образца бетона до 41 °C.

«Эта технология может быть идеальной для обогрева полов в помещениях, — сказал Шаню. — Обычно лучистое отопление достигается с помощью циркуляции горячей воды в трубах, спрятанных под полом. Но такую систему непросто строить и обслуживать. Однако, когда сам цемент становится нагревательным элементом, отопительная система становится проще и надежнее. Вдобавок, цемент обеспечивает более равномерное распределение тепла благодаря очень хорошей дисперсии наночастиц в материале».