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.
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».