انسانها هزاران سال است که از سیمان استفاده میکنند و اولین کاربرد شناختهشده آن به حدود ۱۲۰۰۰ سال پیش برمیگردد. به همین ترتیب، کربن سیاه هزاران سال است که وجود دارد - طومارهای دریای مرده مربوط به قرن سوم پیش از میلاد با استفاده از جوهر ساخته شده از این ماده نوشته شدهاند. محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) این مواد باستانی را برای ایجاد یک ابرخازن سیمانی برای ذخیره انرژی الکتریکی ترکیب کردهاند.
امروزه تولید سیمان و بتن تقریباً مسئول ۸ درصد از انتشار دی اکسید کربن جهانی است. به عنوان مثال، ایدههای متعددی برای کاهش این میزان با استفاده از فرمولاسیونهای جایگزین سیمان، هنوز به موفقیت گستردهای نرسیدهاند. در همین حال، افزایش سرمایهگذاری در منابع انرژی تجدیدپذیر متناوب منجر به افزایش تقاضا برای فناوریهای ذخیرهسازی شده است. فرانتس-یوزف اولم از موسسه فناوری ماساچوست میگوید: «باتریها بر اساس مواد کمیابی ساخته شدهاند که در دسترس همه نیستند، بنابراین مقیاسپذیر نیستند.» اولم و همکارانش با افزودن قابلیتهای جدید به بتن، یک راهحل دوبخشی ابداع کردند که امکان استفاده از آن را به عنوان «خازن ساختاری» فراهم میکند.
ابرخازنها
خازنها اساساً دستگاههای سادهای هستند که از دو صفحه رسانای الکتریکی اشباعشده در یک الکترولیت تشکیل شدهاند و توسط یک غشاء از هم جدا شدهاند. هنگامی که ولتاژ به خازن اعمال میشود، یونهای با بار مثبت از الکترولیت روی صفحه با بار منفی جمع میشوند، در حالی که یونهای با بار منفی روی صفحه با بار مثبت جمع میشوند. غشاء بین صفحات از مهاجرت یونهای باردار جلوگیری میکند و در نتیجه یک میدان الکتریکی بین صفحات ایجاد میشود و خازن را شارژ میکند. این صفحات میتوانند بارها را برای مدت طولانی نگه دارند و در صورت نیاز آنها را به سرعت آزاد کنند.
ابرخازنها به زبان ساده خازنهایی هستند که میتوانند بارهای فوقالعاده بزرگی را ذخیره کنند. مساحت کل صفحات رسانای یک خازن، ظرفیت ذخیره انرژی آن را تعیین میکند.
برخلاف باتری که انرژی الکتریکی را به آرامی دریافت، ذخیره و سپس بازمیگرداند، ابرخازنها به سرعت شارژ و دشارژ میشوند. در حالی که این جنبه ذخیره انرژی برای دستگاههای محاسباتی یا وسایل نقلیه الکتریکی (EV) که به انرژی پایدار در مدت زمان طولانی نیاز دارند، کمتر مفید است، میتوان از خازن برای افزایش سریع باتری EV در یک جاده بیسیم یا ذخیره انرژی الکتریکی اضافی از پنلهای خورشیدی در فونداسیون بتنی یک خانه مسکونی استفاده کرد.
به طور کلی، ابرخازنها پتانسیل قابل توجهی در کمک به گذار به انرژیهای تجدیدپذیر و رفع نیاز به ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ دارند. آنها جایگزین ارزانتری برای باتریهای سنتی ارائه میدهند که در ساخت خود به مواد محدودی مانند لیتیوم متکی هستند.
این تیم دو مورد از فراوانترین مواد روی زمین را با هم ترکیب کرد: سیمان و کربن سیاه. وقتی این ماده با آب مخلوط میشود، به لطف رسانایی الکتریکی کربن سیاه، به یک ابرخازن تبدیل میشود. با واکنش آب با سیمان، شبکهای از کانالهای ریز تشکیل میشود که کربن سیاه از طریق آنها حرکت میکند و ساختارهایی نخمانند با اشکال فراکتال ایجاد میکند. این فرآیند سطح تماس بسیار بزرگی بین کربن سیاه و سیمان ایجاد میکند. سپس این ماده در یک الکترولیت استاندارد مانند کلرید پتاسیم خیسانده میشود. محققان با اتصال دو صفحه از این ماده که توسط یک غشاء از هم جدا شدهاند، میتوانند یک ابرخازن کاربردی ایجاد کنند.
ساختمانها و جادهها میتوانند به باتری تبدیل شوند
به گفته محققان، چگالی انرژی ابرخازن آنها به حدود ۳۰۰ وات ساعت در هر متر مکعب میرسد. این مقدار برای روشن کردن یک لامپ به مدت یک روز کافی است، اما نه خیلی بیشتر. با این حال، اگر حدود ۴۵ متر مکعب از این ماده در فونداسیون یک ساختمان ادغام شود، یک خانه میتواند تقریباً ۱۰ کیلووات ساعت انرژی ذخیره کند. این مقدار برای تأمین نیازهای روزانه برق بسیاری از خانوارها کافی خواهد بود.
تاکنون، محققان نمونههای اولیهای به اندازه سلولهای دکمهای کوچک با قطر حدود یک سانتیمتر و ضخامت یک میلیمتر تولید کردهاند که قادر به ارائه یک ولت هستند. هدف بعدی آنها توسعه یک نسخه بزرگتر ۱۲ ولتی و در نهایت گسترش این فناوری به سازههایی با حجم حداکثر ۴۵ متر مکعب است.
این تیم پیشنهاد میکند که این فناوری علاوه بر تأمین انرژی ساختمانها، فراتر از تأمین انرژی ساختمانها، میتواند در جادهها نیز تعبیه شود. در آینده، میتواند امکان شارژ بیسیم خودروهای الکتریکی را در حین رانندگی فراهم کند و خود زیرساخت را به بخشی فعال از سیستم انرژی تبدیل کند. چنین نوآوریهایی در ترکیب با منابع انرژی تجدیدپذیر میتوانند نحوه ذخیره و توزیع برق را به طور قابل توجهی تغییر دهند.
منابع:
https://scitechdaily.com/this-new-device-turns-carbon-emissions-into-a-valuable-chemical/