ابتكر مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مكثفًا فائقًا من الأسمنت والماء وأسود الكربون أو الكربون الأسود. المكثف الفائق مصنوع من مواد وفيرة ومنخفضة التكلفة ، قادرة على تخزين كميات كبيرة من الطاقة. يمكن للجهاز أن يشكل الأساس لأنظمة فعالة من حيث التكلفة تخزن الطاقة المتجددة المتقطعة ، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.
أظهرت دراسة جديدة أن اثنتين من أكثر المواد التاريخية شيوعًا للبشرية ، الخرسانة وأسود الكربون (التي تبدو مثل الفحم الناعم جدًا) ، يمكن أن تشكل الأساس لنظام تخزين طاقة جديد منخفض التكلفة. يمكن لهذه التكنولوجيا أن تسهل استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والمد والجزر ، مما يسمح لشبكات الطاقة بالبقاء مستقرة على الرغم من التقلبات في إمدادات الطاقة المتجددة.
وجد الباحثون أنه يمكن دمج المادتين مع الماء لإنشاء مكثف فائق - بديل للبطاريات - يمكن أن يوفر تخزينًا للطاقة الكهربائية. على سبيل المثال ، يقول باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذين طوروا النظام إن المكثف الفائق الخاص بهم يمكن أن يتم تضمينه في الأساس الخرساني للمنزل ، حيث يمكنه تخزين طاقة يوم كامل ، مما يضيف القليل (أو لا شيء) إلى تكلفة الكهرباء. القوة الهيكلية اللازمة. يتصور الباحثون أيضًا طريقًا خرسانيًا يمكن أن يوفر شحنًا بدون اتصال للسيارات الكهربائية التي تسير على طوله.
تم وصف التكنولوجيا البسيطة والمبتكرة في مقال قادم في مجلة PNAS من قبل أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فرانز جوزيف أولم وأدمير ماسيك ويانغ شاو هورن وأربعة باحثين آخرين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد ويس.
المكثفات هي من حيث المبدأ أجهزة بسيطة للغاية ، تتكون من لوحين موصلين كهربائياً مغموران في إلكتروليت ويفصل بينهما غشاء. عندما يتم تطبيق الجهد على المكثف ، تتراكم الأيونات الموجبة الشحنة للإلكتروليت على اللوح المشحون سالبًا ، بينما تتراكم اللوح الموجب الشحنة الأيونات سالبة الشحنة. نظرًا لأن الغشاء بين الألواح يمنع انتقال الأيونات المشحونة ، فإن فصل الشحنات هذا يخلق مجالًا كهربائيًا بين الألواح ويصبح المكثف مشحونًا. يمكن للصفيحتين الاحتفاظ بهذا الزوج من الشحنات لفترة معينة من الوقت ثم إطلاقهما بسرعة كبيرة عند الحاجة. المكثفات الفائقة هي ببساطة مكثفات قادرة على تخزين شحنات كبيرة بشكل استثنائي.
تعتمد كمية الطاقة التي يمكن أن يخزنها المكثف على المساحة الإجمالية لألواح التوصيل الخاصة به. يأتي مفتاح المكثفات الفائقة الجديدة التي طورها هذا الفريق من طريقة إنتاج مادة قائمة على الأسمنت مع مساحة سطح داخلية عالية للغاية ، وذلك بفضل شبكة كثيفة مترابطة من المواد الموصلة ضمن حجمها.
حقق الباحثون ذلك عن طريق إدخال أسود الكربون - وهو مادة عالية التوصيل - في خليط الأسمنت مع مسحوق الأسمنت والماء ، والسماح له بالتصلب.
يتفاعل الماء مع الخرسانة ، ويشكل بشكل طبيعي شبكة متفرعة من الفتحات داخل الهيكل وينتقل الكربون إلى هذه المساحات ليخلق هياكل شبيهة بالأسلاك داخل الخرسانة الصلبة. هذه الهياكل لها بنية كسورية ، مع فروع أكبر تنبت فروعًا أصغر ، والأخيرة تنبت حتى فروعًا أصغر ، وهكذا ، مما يؤدي إلى مساحة سطح كبيرة للغاية داخل حدود حجم صغير نسبيًا.
يتم بعد ذلك غمر المادة في إلكتروليت قياسي ، مثل كلوريد البوتاسيوم ، وهو ملح شائع جدًا يمكن الحصول عليه من ملح البحر ، والذي يوفر الجسيمات المشحونة التي تتراكم على هياكل الكربون. وجد الباحثون أن قطبين مصنوعين من هذه المادة ، مفصولين بفجوة رقيقة أو طبقة عازلة ، يشكلان مكثفًا فائقًا قويًا للغاية.
تعمل لوحتا المكثف مثل قطبي بطارية قابلة لإعادة الشحن ذات جهد مكافئ: عند التوصيل بمصدر للكهرباء ، مثل البطارية ، يتم تخزين الطاقة في الألواح ، وبعد ذلك ، عند التوصيل بالحمل ، يأتي التيار الكهربائي مرة أخرى لتوفير الطاقة.
قال الباحث Admir Masic: "المادة رائعة ، لأنها أكثر المواد استخدامًا في العالم من قبل الإنسان ، الخرسانة ، جنبًا إلى جنب مع أسود الكربون ، وهي مادة تاريخية معروفة - مخطوطات البحر الميت مكتوبة باستخدام هو - هي. هذه مواد عمرها ألفي عام على الأقل والتي ، عند دمجها بطريقة معينة ، تعطي الحياة لمركب نانوي موصل ، وهذا هو المكان الذي تصبح فيه الأشياء مثيرة للاهتمام حقًا ".
عندما يتصلب الخليط ويتصلب ، يشرح الباحث ، "يتم استهلاك الماء بشكل منهجي من خلال تفاعلات الترطيب للأسمنت ، ويؤثر هذا الترطيب بشكل أساسي على جزيئات الكربون النانوية لأنها كارهة للماء". مع تطور المزيج ، "يتجمع أسود الكربون ذاتيًا في خيط متصل." هذه العملية قابلة للتكرار بسهولة ، باستخدام مواد غير مكلفة ومتاحة بسهولة في جميع أنحاء العالم. علاوة على ذلك ، فإن كمية الكربون المطلوبة منخفضة جدًا - 3٪ فقط من حجم الخليط - للحصول على شبكة كربون العصارة ، كما أوضح ماسك.
حسب الفريق أن كتلة 45 مترًا مكعبًا من الخرسانة المشبعة بالكربون النانوي - أي ما يعادل مكعب حوالي 3.5 متر على جانب - سيكون لها سعة كافية لتخزين حوالي 10 كيلوواط / ساعة من الطاقة ، وهو ما يعتبر متوسط الاستهلاك اليومي للكهرباء في منزل. نظرًا لأن الخرسانة ستحتفظ بقوتها ، يمكن للمنزل الذي يحتوي على أساس خرساني تخزين الطاقة اليومية من الألواح الشمسية أو توربينات الرياح واستخدامها عند الحاجة. علاوة على ذلك ، يمكن شحن المكثفات الفائقة وتفريغها بسرعة أكبر بكثير من البطاريات ، وفي الواقع قد تكون المشكلة ، إن وجدت ، تخفيف التفريغ.
بعد سلسلة من الاختبارات لتحديد النسب الأكثر فاعلية للأسمنت وأسود الكربون والماء ، أظهر الفريق العملية من خلال صنع مكثفات فائقة صغيرة ، بحجم بعض البطاريات ذات الأزرار ، وقطرها حوالي 1 سم وسمكها 1 ملم. يتم شحنها بجهد 1 فولت ، مثل بطارية 1 فولت. ثم قاموا بتوصيل ثلاثة من هؤلاء لإثبات قدرتها على إضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بجهد 3 فولت. بعد أن أظهروا هذا المبدأ ، يخططون الآن لبناء سلسلة من الإصدارات الأكبر ، بدءًا بأخرى بحجم بطارية السيارة النموذجية بجهد 12 فولت ، وفي النهاية بناء إصدار يصل إلى 45 مترًا مكعبًا ، لإثبات القدرة على تخزين كمية من طاقة تساوي طاقة المنزل.
وجدوا أن هناك مفاضلة بين سعة تخزين المواد وقوتها الهيكلية. من خلال إضافة المزيد من أسود الكربون ، يكون المكثف الفائق الناتج قادرًا على تخزين المزيد من الطاقة ، لكن الخرسانة أضعف قليلاً ، وقد يكون هذا مفيدًا للتطبيقات التي لا تلعب فيها الخرسانة دورًا هيكليًا أو حيث لا تكون القوة الكامنة الكاملة للخرسانة مطلوبة. أسمنت. بالنسبة للتطبيقات مثل الأساسات أو العناصر الهيكلية لقاعدة توربينات الرياح ، فإن "النقطة القوية" هي حوالي 10٪ من الكربون الأسود في المزيج.
تطبيق آخر محتمل للمكثفات الفائقة من الأسمنت الكربوني هو إنشاء طرق خرسانية يمكنها تخزين الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية على طول الطريق ثم تزويدها للسيارات الكهربائية التي تسير على طول الطريق ، باستخدام نفس النوع من التكنولوجيا المستخدمة في الهواتف اللاسلكية القابلة لإعادة الشحن. يتم بالفعل تطوير نوع مماثل من أنظمة شحن السيارات من قبل شركات في ألمانيا وهولندا ، لكنها تستخدم بطاريات قياسية للتخزين.
يقول الباحثون إن الاستخدامات المبكرة لهذه التكنولوجيا يمكن أن تكون للمنازل أو المباني أو الملاجئ المعزولة بعيدًا عن شبكة الطاقة ، والتي يمكن تشغيلها بواسطة الألواح الشمسية المتصلة بالمكثفات الخرسانية الفائقة.
يقول أولم إن النظام قابل للتطوير بدرجة كبيرة ، لأن القدرة على تخزين الطاقة هي وظيفة مباشرة لحجم القطب. قال: "يمكنك الانتقال من أقطاب كهربائية بسمك ملليمتر إلى أقطاب كهربائية بسمك متر واحد ، ومن خلال القيام بذلك يمكنك زيادة سعة تخزين الطاقة من تشغيل مصباح LED لبضع ثوان إلى تشغيل منزل بأكمله".
اعتمادًا على الخصائص المرغوبة لتطبيق معين ، يمكن ضبط النظام عن طريق ضبط الخليط. بالنسبة لشارع شحن السيارات ، ستكون هناك حاجة إلى معدلات شحن وتفريغ سريعة جدًا ، بينما لتشغيل المنزل ، "لديك طوال اليوم لشحنه" ، لذلك يمكن استخدام مادة بطيئة الشحن ، كما قال أولم. ويضيف: "لذلك ، إنها حقًا مادة متعددة الوظائف". بالإضافة إلى القدرة على تخزين الطاقة في شكل مكثفات فائقة ، يمكن استخدام نفس النوع من مزيج الخرسانة كنظام تدفئة ، وذلك ببساطة عن طريق تطبيق الكهرباء على الخرسانة الحاملة للكربون.
ستسمح هذه الخرسانة برؤية جديدة للتراكم على نطاق واسع وتحول الطاقة ، دون الإضرار بالهياكل التي تم تركيبها فيها.
بفضل قناة Telegram الخاصة بنا ، يمكنك البقاء على اطلاع دائم بنشر مقالات جديدة من السيناريوهات الاقتصادية.
المقالة التي قام بها فنيو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) قد ابتكروا أسمنتًا يتضاعف كمكثف كهربائي فائق لتخزين الطاقة يأتي من السيناريوهات الاقتصادية .