Обычный бетон десятилетиями служит основой зданий, дорог и мостов. Но что, если он сможет не только выдерживать огромные нагрузки, но и накапливать электричество? Учёные разрабатывают цементные материалы нового поколения, которые способны совмещать несущую функцию с хранением энергии. В перспективе такие технологии позволят использовать стены, перекрытия и другие элементы зданий в качестве встроенных накопителей электричества.
Исследователи из Харбинского технологического института и Китайской академии наук создали экспериментальный суперконденсатор на основе цемента, который можно печатать на 3D-принтере. Разработка уже продемонстрировала способность питать светодиоды, а прочность материала при сжатии оказалась сопоставима с характеристиками обычного бетона, применяемого для устройства плит и ступеней. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
Как работает цементный суперконденсатор
Чтобы понять принцип действия новой технологии, нужно разобраться, чем суперконденсатор отличается от обычного аккумулятора.
Аккумулятор накапливает энергию преимущественно за счёт химических реакций. Суперконденсатор использует другой механизм: электрический заряд накапливается на поверхности электродов благодаря разделению зарядов в электрическом поле. Благодаря этому такие устройства могут очень быстро заряжаться и отдавать накопленную энергию, а также выдерживают значительно больше циклов зарядки и разрядки.
Есть и компромисс: по сравнению с аккумуляторами суперконденсаторы обычно хранят меньше энергии при сопоставимых размерах и хуже подходят для длительного автономного питания. Зато они особенно полезны там, где требуется быстро выдать значительную мощность.
Китайские исследователи решили использовать эти свойства в строительном материале. Для этого они разработали специальную смесь на основе цемента, технического углерода и углеродных нанотрубок. Из неё формируют токопроводящие электроды, которые затем наносят на небольшую бетонную плиту с помощью 3D-принтера.
Электроды имеют форму переплетающихся выступов, напоминающих сцепленные пальцы. Такая геометрия увеличивает площадь их взаимодействия и позволяет компактно разместить элементы, необходимые для накопления электрического заряда.
После увлажнения цементного материала его поры заполняются водой, которая облегчает перемещение ионов между электродами. В результате конструкция начинает работать как суперконденсатор.
Зачем использовать 3D-печать
Трёхмерная печать даёт исследователям возможность точно контролировать геометрию электродов и создавать сложные структуры, которые трудно получить традиционными методами.
Вместо того чтобы превращать весь бетонный массив в однородный проводящий материал, можно сформировать на его поверхности определённый рисунок токопроводящих элементов. Это открывает возможности для более рационального использования компонентов и проектирования устройств с заданными характеристиками.
В эксперименте учёные разместили на одной бетонной плите три суперконденсатора, соединили их электрически и использовали для питания небольшого массива светодиодов. Таким образом, команда подтвердила, что цементная конструкция способна не просто проводить ток, а действительно накапливать и отдавать электрическую энергию.
Впрочем, до полноценного применения в зданиях ещё далеко. Один из выявленных недостатков — чувствительность к холоду: при температуре около −18 °C устройство переставало работать. Исследователям предстоит выяснить, как улучшить его характеристики при низких температурах.
Где может пригодиться энергозапасающий бетон
Главное преимущество технологии заключается в том, что накопитель энергии можно встроить непосредственно в строительную конструкцию. Это особенно интересно для зданий, где необходимо обеспечить резервное питание систем безопасности, датчиков, аварийного освещения и другого оборудования.
Например, цементные суперконденсаторы можно подключить к солнечным панелям. Они будут накапливать поступающую электроэнергию и отдавать её в моменты, когда требуется кратковременная высокая мощность. Такой подход может оказаться полезным и в системах с другими возобновляемыми источниками энергии.
Профессор Харбинского технологического института Цзин Чжун (Jing Zhong), автор исследования, считает, что подобные строительные материалы способны превратить здания из пассивных конструкций в интеллектуальные среды, которые не только поддерживают свою собственную инфраструктуру, но и накапливают энергию, а также реагируют на изменения окружающей обстановки.
Однако цементный суперконденсатор пока не способен заменить обычные аккумуляторы во всех задачах. Он сравнительно быстро теряет накопленный заряд, поэтому для продолжительного автономного питания потребуется постоянная подзарядка или сочетание с другими системами хранения энергии.
Что мешает внедрению технологии
Несмотря на перспективность разработки, учёным предстоит решить несколько инженерных задач.
Первая — обеспечить стабильную работу при низких температурах. Вторая — проверить долговечность материала при многократных циклах зарядки и разрядки, а также под воздействием влаги и других факторов окружающей среды.
Не менее важно выяснить, как электроды будут вести себя в реальных строительных конструкциях. Лабораторная бетонная плита и фундамент многоэтажного здания работают в совершенно разных условиях: во втором случае необходимо учитывать механические нагрузки, особенности армирования, изоляцию электрических контактов и требования строительных норм.
Наконец, нужно определить, насколько экономически оправданным окажется производство таких материалов в промышленных масштабах. Даже если отдельные компоненты доступны, итоговая стоимость зависит от технологии изготовления, обслуживания и интеграции накопителей в электросистему здания.
Бетон будущего: строительный материал и накопитель энергии в одном
Цементные суперконденсаторы показывают, как привычные строительные материалы могут получить совершенно новые функции. Вместо того чтобы устанавливать отдельные накопители рядом со зданием, в перспективе можно будет интегрировать часть системы хранения энергии непосредственно в стены, плиты и другие элементы конструкции.
Пока разработка остаётся экспериментальной: исследователи продемонстрировали работу небольших устройств, но полноценное энергоснабжение зданий ещё требует дополнительных испытаний. Тем не менее сама идея многофункционального бетона открывает интересное направление для энергетики и строительства.
Если учёным удастся повысить устойчивость таких суперконденсаторов к холоду, влаге и длительной эксплуатации, строительные конструкции смогут не только защищать людей и выдерживать нагрузки, но и стать частью распределённой системы хранения электричества.
