Τα δύο υλικά, όπως διαπίστωσαν οι ερευνητές, μπορούν να συνδυαστούν με νερό για να δημιουργήσουν έναν υπερπυκνωτή – μια εναλλακτική λύση για τις μπαταρίες – που θα μπορούσε να παρέχει αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας.

Για παράδειγμα, οι ερευνητές του MIT που ανέπτυξαν το σύστημα λένε ότι ο υπερπυκνωτής τους θα μπορούσε τελικά να ενσωματωθεί στη τσιμεντένια βάση ενός σπιτιού, όπου θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια ολόκληρης της ημέρας προσθέτοντας ελάχιστα (ή καθόλου) στο κόστος της θεμελίωσης, το οποίο θα εξακολουθεί να παρέχει την απαιτούμενη δομική αντοχή. Οι ερευνητές οραματίζονται επίσης έναν τσιμεντένιο δρόμο που θα μπορούσε να παρέχει ανέπαφη επαναφόρτιση για ηλεκτρικά αυτοκίνητα καθώς ταξιδεύουν σε αυτόν τον δρόμο.

Η απλή αλλά καινοτόμος τεχνολογία περιγράφεται αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό PNAS , σε μια εργασία των καθηγητών του MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic και Yang-Shao Horn και τεσσάρων άλλων στο MIT και στο Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.

Οι πυκνωτές είναι καταρχήν πολύ απλές συσκευές, που αποτελούνται από δύο ηλεκτρικά αγώγιμες πλάκες βυθισμένες σε έναν ηλεκτρολύτη και χωρισμένες από μια μεμβράνη. Όταν εφαρμόζεται τάση στον πυκνωτή, θετικά φορτισμένα ιόντα από τον ηλεκτρολύτη συσσωρεύονται στην αρνητικά φορτισμένη πλάκα, ενώ η θετικά φορτισμένη πλάκα συσσωρεύει αρνητικά φορτισμένα ιόντα. Δεδομένου ότι η μεμβράνη μεταξύ των πλακών εμποδίζει τα φορτισμένα ιόντα να μεταναστεύσουν κατά μήκος, αυτός ο διαχωρισμός φορτίων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των πλακών και ο πυκνωτής φορτίζεται. Οι δύο πλάκες μπορούν να διατηρήσουν αυτό το ζεύγος φορτίσεων για μεγάλο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια να τις παραδώσουν πολύ γρήγορα όταν χρειάζεται. Οι υπερπυκνωτές είναι απλώς πυκνωτές που μπορούν να αποθηκεύσουν εξαιρετικά μεγάλα φορτία.

Η ποσότητα ισχύος που μπορεί να αποθηκεύσει ένας πυκνωτής εξαρτάται από τη συνολική επιφάνεια των αγώγιμων πλακών του. Το κλειδί για τους νέους υπερπυκνωτές που ανέπτυξε αυτή η ομάδα προέρχεται από μια μέθοδο παραγωγής ενός υλικού με βάση το τσιμέντο με εξαιρετικά υψηλή εσωτερική επιφάνεια λόγω ενός πυκνού, διασυνδεδεμένου δικτύου αγώγιμου υλικού εντός του όγκου του. Οι ερευνητές το πέτυχαν με την εισαγωγή αιθάλης – που είναι εξαιρετικά αγώγιμο – σε ένα μείγμα σκυροδέματος μαζί με σκόνη τσιμέντου και νερό και αφήνοντάς το να σκληρύνει.

Το νερό σχηματίζει φυσικά ένα διακλαδισμένο δίκτυο ανοιγμάτων εντός της δομής καθώς αντιδρά με το τσιμέντο και ο άνθρακας μεταναστεύει σε αυτούς τους χώρους για να δημιουργήσει συρμάτινες δομές μέσα στο τσιμέντο.

Το υλικό στη συνέχεια εμποτίζεται σε ένα τυπικό υλικό ηλεκτρολύτη, όπως το χλωριούχο κάλιο, ένα είδος άλατος, το οποίο παρέχει τα φορτισμένα σωματίδια που συσσωρεύονται στις δομές άνθρακα. Δύο ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από αυτό το υλικό, που χωρίζονται από ένα λεπτό χώρο ή ένα μονωτικό στρώμα, σχηματίζουν έναν πολύ ισχυρό υπερπυκνωτή, ανακάλυψαν οι ερευνητές.

Οι δύο πλάκες του πυκνωτή λειτουργούν ακριβώς όπως οι δύο πόλοι μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας ισοδύναμης τάσης: Όταν συνδέεται σε μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, όπως συμβαίνει με μια μπαταρία, η ενέργεια αποθηκεύεται στις πλάκες και, στη συνέχεια, όταν συνδέεται σε ένα φορτίο, η το ρεύμα ρέει πίσω για να παρέχει ισχύ.

«Το υλικό είναι συναρπαστικό», λέει ο Masic, «επειδή έχετε το πιο χρησιμοποιημένο τεχνητό υλικό στον κόσμο, το τσιμέντο, που συνδυάζεται με αιθάλη, που είναι ένα πολύ γνωστό ιστορικό υλικό — τα χειρόγραφα της Νεκράς Θάλασσας γράφτηκαν με αυτό . Έχετε αυτά τα υλικά τουλάχιστον δύο χιλιετιών που όταν τα συνδυάζετε με συγκεκριμένο τρόπο καταλήγετε σε ένα αγώγιμο νανοσύνθετο και τότε τα πράγματα γίνονται πραγματικά ενδιαφέροντα.»

(photo: pixabay)