Vylepšené uhlíkovo-cementové superkondenzátory by mohly proměnit beton kolem nás v masivní systémy pro ukládání energie.
Vědci už nějakou dobu pracují na tom, aby beton, nejběžnější konstrukční materiál moderní civilizace, získal schopnost pojmout elektrickou energii. Řadí se k nim i odborníci centra EC3 Hub amerického MIT (Massachusetts Institute of Technology). Ti už v roce 2023 vyrobili z cementu, vody a sazí betonový superkapacitor (superkondenzátor), který v současnosti ještě dále vylepšují. Jeho kapacitu se jim podařilo navýšit už na téměř 10násobek. Výzkum tak směřuje k budování staveb, jež budou sloužit i jako elektrické baterie.
V MIT vytvořili beton nanokarbonovými sazemi, v němž se pohybují elektrony ec3 (electron-conducting carbon concrete). Tento „elektron-vodivý uhlíkový beton“ pojme energii, kterou spotřebuje průměrná domácnost za den, v objemu zhruba 5 m3, což odpovídá zdem v suterénu.
Oproti materiálu z roku 2023, kdy bylo pro stejné množství energie třeba asi 45 m3 multifunkčního betonu, jde opravdu o výrazné zlepšení. V současnosti to vypadá tak, že jeden kubický metr vylepšeného betonu ec3, tedy zhruba o objemu americké ledničky, pojme přes 2 kWh energie, tedy tolik, že utáhne denní provoz takové ledničky.
Klíčovým krokem k uvedenému zlepšení bylo, že tým MIT použil pokročilou 3D zobrazovací metodu s vysokým rozlišením, zvanou FIB-SEM tomography (focused ion beam-scanning electron microscope — tedy tomografie fokusovaným iontovým paprskem a rastrovacím elektronovým mikroskopem). Díky těmto zobrazením mohli badatelé proniknout do toho, co se vlastně v elektricky vodivém betonu děje. Zmíněný přístup umožnil týmu zjistit, že se v materiálu vytváří síť, která je v podstatě fraktální „pavučinou“, která obklopuje póry ec3, což umožňuje infiltraci elektrolytu a průtok proudu systémem.
Poté experimentovali s různými elektrolyty, až nakonec došli k elektrolytům organickým, které kombinují kvartérní amoniové soli s acetonitrilem, což je běžná elektricky vodivá kapalina.
„Zjistili jsme, že existuje široká škála elektrolytů, které by mohly být vhodnými kandidáty pro ec3. Patří sem dokonce i mořská voda, což by z betonu mohlo udělat dobrý materiál pro použití v pobřežních a námořních aplikacích, možná i pro podpůrné konstrukce větrných elektráren instalovaných na moři,“ uvedl Damian Stefaniuk, spoluautor a vědecký pracovník centra EC3 Hub.
V dohledné budoucnosti se tedy rýsuje možnost stavět domy, které si budou přímo ukládat energii. Ec3 lze v principu začlenit přímo do široké škály architektonických prvků od desek a stěn po kopule a klenby — vydrží prý přitom stejně dlouho jako samotná konstrukce. Díky svým tepelněvodivým vlastnostem se materiál již používá k vytápění chodníkových desek v japonském Sapporu, což představuje i potenciální alternativu k solení.
Tým se během testů inspiroval římskou architekturou a postavil miniaturní oblouk z ec3 (viz foto), aby ukázal, jak může strukturální forma a ukládání energie spolupracovat. Oblouk, který pracoval s napětím 9 V, nesl svou vlastní hmotnost i dodatečnou zátěž a zároveň napájel LED světlo. Když však výzkumníci zatížení oblouku ještě zvýšili, světlo zablikalo. To bylo pravděpodobně způsobeno tím, jak napětí ovlivňuje elektrické kontakty nebo rozložení nábojů. Autoři se domnívají, že by tato vlastnost mohla posloužit i jako schopnost samokontroly namáhání konstrukcí ke sledování stavu konstrukcí v reálném čase.