Los ingenieros del MIT crean una energía - Iluminación Co., Ltd de Guiyang

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Según un nuevo estudio, dos de los materiales históricos más omnipresentes de la humanidad, el cemento y el negro de humo (que se asemeja al carbón vegetal muy fino), pueden formar la base de un novedoso sistema de almacenamiento de energía de bajo costo. La tecnología podría facilitar el uso de fuentes de energía renovables como la solar, la eólica y la mareomotriz al permitir que las redes de energía permanezcan estables a pesar de las fluctuaciones en el suministro de energía renovable.

Los investigadores descubrieron que los dos materiales se pueden combinar con agua para crear un supercondensador (una alternativa a las baterías) que podría proporcionar almacenamiento de energía eléctrica. Como ejemplo, los investigadores del MIT que desarrollaron el sistema dicen que su supercondensador podría eventualmente incorporarse a los cimientos de concreto de una casa, donde podría almacenar la energía de un día completo y agregar poco (o nada) al costo de los cimientos. y seguir proporcionando la resistencia estructural necesaria. Los investigadores también imaginan una carretera de hormigón que podría proporcionar recarga sin contacto para los coches eléctricos mientras viajan por esa carretera.

Esta tecnología simple pero innovadora se describe esta semana en la revista PNAS, en un artículo de los profesores del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn, y otros cuatro en el MIT y en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica.

Los condensadores son, en principio, dispositivos muy sencillos que constan de dos placas conductoras de electricidad sumergidas en un electrolito y separadas por una membrana. Cuando se aplica un voltaje a través del capacitor, los iones cargados positivamente del electrolito se acumulan en la placa cargada negativamente, mientras que la placa cargada positivamente acumula iones cargados negativamente. Dado que la membrana entre las placas bloquea la migración de los iones cargados, esta separación de cargas crea un campo eléctrico entre las placas y el condensador se carga. Las dos placas pueden mantener este par de cargas durante mucho tiempo y luego entregarlas muy rápidamente cuando sea necesario. Los supercondensadores son simplemente condensadores que pueden almacenar cargas excepcionalmente grandes.

La cantidad de energía que puede almacenar un capacitor depende del área de superficie total de sus placas conductoras. La clave de los nuevos supercondensadores desarrollados por este equipo proviene de un método para producir un material a base de cemento con una superficie interna extremadamente alta debido a una red densa e interconectada de material conductor dentro de su volumen a granel. Los investigadores lograron esto introduciendo negro de carbón, que es altamente conductor, en una mezcla de concreto junto con cemento en polvo y agua, y dejándolo curar. El agua forma naturalmente una red ramificada de aberturas dentro de la estructura a medida que reacciona con el cemento, y el carbono migra a estos espacios para formar estructuras similares a cables dentro del cemento endurecido. Estas estructuras tienen una estructura similar a un fractal, con ramas más grandes de las que brotan ramas más pequeñas, y de aquellas que brotan ramitas aún más pequeñas, y así sucesivamente, terminando con una superficie extremadamente grande dentro de los límites de un volumen relativamente pequeño. Luego, el material se empapa en un material electrolítico estándar, como cloruro de potasio, un tipo de sal, que proporciona las partículas cargadas que se acumulan en las estructuras de carbono. Los investigadores descubrieron que dos electrodos hechos de este material, separados por un espacio delgado o una capa aislante, forman un supercondensador muy potente.

Las dos placas del capacitor funcionan igual que los dos polos de una batería recargable de voltaje equivalente: cuando se conecta a una fuente de electricidad, como ocurre con una batería, la energía se almacena en las placas y luego, cuando se conecta a una carga, la energía eléctrica se almacena en las placas. la corriente regresa para proporcionar energía.

"El material es fascinante", dice Masic, "porque tenemos el material hecho por el hombre más utilizado en el mundo, el cemento, que se combina con negro de humo, que es un material histórico muy conocido; los Rollos del Mar Muerto se escribieron con él". . Tienes estos materiales de al menos dos milenios de antigüedad que, cuando los combinas de una manera específica, dan como resultado un nanocompuesto conductor, y ahí es cuando las cosas se ponen realmente interesantes”.

A medida que la mezcla fragua y cura, dice, “el agua se consume sistemáticamente a través de las reacciones de hidratación del cemento, y esta hidratación afecta fundamentalmente a las nanopartículas de carbono porque son hidrofóbicas (repelen el agua)”. A medida que la mezcla evoluciona, “el negro de carbón se autoensambla formando un cable conductor conectado”, dice. El proceso es fácilmente reproducible, con materiales económicos y fácilmente disponibles en cualquier parte del mundo. Y la cantidad de carbono necesaria es muy pequeña (tan solo el 3 por ciento del volumen de la mezcla) para lograr una red de carbono filtrado, dice Masic.

Los supercondensadores fabricados con este material tienen un gran potencial para ayudar en la transición del mundo hacia la energía renovable, afirma Ulm. Las principales fuentes de energía libre de emisiones, la eólica, la solar y la mareomotriz, producen su producción en momentos variables que a menudo no se corresponden con los picos de consumo de electricidad, por lo que es esencial encontrar formas de almacenar esa energía. “Existe una enorme necesidad de un gran almacenamiento de energía”, afirma, y las baterías existentes son demasiado caras y dependen principalmente de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado, por lo que se necesitan con urgencia alternativas más baratas. "Aquí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento está en todas partes", afirma Ulm.

El equipo calculó que un bloque de hormigón dopado con nanocarbono negro de 45 metros cúbicos (o yardas) de tamaño (equivalente a un cubo de unos 3,5 metros de ancho) tendría capacidad suficiente para almacenar unos 10 kilovatios-hora de energía, que es Se considera el consumo medio diario de electricidad de un hogar. Dado que el hormigón conservaría su resistencia, una casa con cimientos hechos de este material podría almacenar la energía de un día producida por paneles solares o molinos de viento y permitir su uso cuando sea necesario. Y los supercondensadores se pueden cargar y descargar mucho más rápidamente que las baterías.

Después de una serie de pruebas utilizadas para determinar las proporciones más efectivas de cemento, negro de humo y agua, el equipo demostró el proceso fabricando pequeños supercondensadores, del tamaño de algunas pilas de botón, aproximadamente 1 centímetro de ancho y 1 milímetro de espesor. cada uno de los cuales podría cargarse a 1 voltio, comparable a una batería de 1 voltio. Luego conectaron tres de estos para demostrar su capacidad para encender un diodo emisor de luz (LED) de 3 voltios. Habiendo probado el principio, ahora planean construir una serie de versiones más grandes, comenzando con unas del tamaño de una batería de automóvil típica de 12 voltios, y luego trabajando hasta una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad para almacenar una casa. -valor de poder.

Descubrieron que existe un equilibrio entre la capacidad de almacenamiento del material y su resistencia estructural. Al agregar más negro de carbón, el supercondensador resultante puede almacenar más energía, pero el concreto es ligeramente más débil, y esto podría ser útil para aplicaciones donde el concreto no desempeña un papel estructural o donde no se requiere todo el potencial de resistencia del concreto. Descubrieron que para aplicaciones como cimientos o elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el "punto óptimo" es alrededor del 10 por ciento de negro de carbón en la mezcla.

Otra posible aplicación de los supercondensadores de cemento de carbono es la construcción de carreteras de hormigón que podrían almacenar la energía producida por paneles solares a lo largo de la carretera y luego entregar esa energía a los vehículos eléctricos que viajan por la carretera utilizando el mismo tipo de tecnología utilizada para los teléfonos recargables de forma inalámbrica. Empresas de Alemania y Países Bajos ya están desarrollando un tipo similar de sistema de recarga de automóviles, pero utilizando baterías estándar para su almacenamiento.

Los usos iniciales de la tecnología podrían ser para casas, edificios o refugios aislados lejos de la red eléctrica, que podrían funcionar con paneles solares conectados a supercondensadores de cemento, dicen los investigadores.

Ulm afirma que el sistema es muy escalable, ya que la capacidad de almacenamiento de energía es función directa del volumen de los electrodos. "Se puede pasar de electrodos de 1 milímetro de espesor a electrodos de 1 metro de espesor y, al hacerlo, básicamente se puede escalar la capacidad de almacenamiento de energía, desde encender un LED durante unos segundos hasta alimentar una casa entera", afirma.

Dependiendo de las propiedades deseadas para una aplicación determinada, el sistema podría ajustarse ajustando la mezcla. Para una carretera de carga de vehículos, se necesitarían velocidades de carga y descarga muy rápidas, mientras que para alimentar una casa "tienes todo el día para cargarla", por lo que se podría utilizar material de carga más lenta, dice Ulm.

“Por lo tanto, es realmente un material multifuncional”, añade. Además de su capacidad para almacenar energía en forma de supercondensadores, el mismo tipo de mezcla de hormigón se puede utilizar como sistema de calefacción, simplemente aplicando electricidad al hormigón con carbono.

Ulm ve esto como "una nueva forma de mirar hacia el futuro del hormigón como parte de la transición energética".

El equipo de investigación también incluyó a los postdoctorados Nicolas Chanut y Damian Stefaniuk del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, James Weaver del Instituto Wyss y Yunguang Zhu del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. El trabajo contó con el apoyo del MIT Concrete Sustainability Hub, con el patrocinio de la Concrete Advancement Foundation.

Los ingenieros del MIT han descubierto una nueva forma de crear un supercondensador de energía combinando cemento, negro de humo y agua que algún día podría usarse para alimentar hogares o vehículos eléctricos, informa Jeremy Hsu para New Scientist. "Los materiales están disponibles para todos, en cualquier lugar y en todo el mundo", explica el profesor Franz-Josef Ulm. "Lo que significa que no tenemos las mismas restricciones que con las baterías".

Investigadores del MIT han descubierto que el cemento y el negro de humo se pueden combinar con agua para crear una alternativa a las baterías, informa Robert Service for Science. El profesor Franz-Josef Ulm y sus colegas "mezclaron un pequeño porcentaje de negro de humo con cemento en polvo y añadieron agua", explica Service. “El agua se combina fácilmente con el cemento. Pero debido a que las partículas de negro de carbón repelen el agua, tienden a agruparse, formando largos zarcillos interconectados dentro del cemento endurecido que actúan como una red de cables”.

La reportera de Fast Company, Adele Peters, escribe que los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo tipo de concreto que puede almacenar energía, lo que podría permitir transformar las carreteras en cargadores de vehículos eléctricos y los cimientos de las casas en fuentes de energía. "De repente tenemos un material que no sólo puede soportar cargas, sino que también puede almacenar energía", afirma el profesor Franz-Josef Ulm.

Investigadores del MIT han descubierto que, cuando se combinan con agua, negro de humo y cemento, se puede producir un supercondensador de bajo coste capaz de almacenar electricidad para su uso posterior, informa Andrew Paul para Popular Science. "Con algunos ajustes y experimentación adicionales, el equipo cree que su material de cemento enriquecido algún día podría componer partes de los cimientos de los edificios, o incluso crear carga inalámbrica", escribe Paul.

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