در آینده‌ای نه‌چندان دور، چراغ‌های اضطراری، سامانه‌های اعلام حریق، حسگرها و دیگر تجهیزات ساختمان‌ها می‌توانند به‌جای ژنراتورهای سوختی یا باتری‌های بزرگ، انرژی خود را از مصالح سازنده همان بنا تأمین کنند.
دانشمندان برای تحقق این ایده، نوعی ابرخازن آزمایشی بر پایه سیمان توسعه داده‌اند که قابلیت ذخیره انرژی الکتریکی را دارد. باتری‌ها انرژی را از طریق واکنش‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند، در حالی که ابرخازن‌ها از سازوکار الکترواستاتیکی برای ذخیره انرژی بهره می‌برند.
از نظر عملی، باتری‌ها چگالی انرژی بسیار بیشتری دارند و می‌توانند شارژ خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کنند؛ اما ابرخازن‌ها با سرعت بسیار بالاتری شارژ و تخلیه می‌شوند. این ویژگی برای کاربردهایی که به تأمین سریع و قدرتمند انرژی نیاز دارند، اهمیت زیادی دارد.
مزیت دیگر ابرخازن‌ها، توانایی تحمل تعداد بسیار بیشتری از چرخه‌های شارژ و تخلیه در مقایسه با باتری‌های معمولی است. با توجه به این ویژگی‌ها، گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری هاربین و آکادمی علوم چین تصمیم گرفتند نوعی ابرخازن مبتنی بر سیمان طراحی کنند.
ساخت ابرخازن سیمانی با چاپ سه‌بعدی
پژوهشگران با الهام از تحقیقات انجام‌شده در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، نانولوله‌های کربنی، کربن سیاه و سیمان را با یکدیگر ترکیب کردند تا جوهری رسانا و مناسب برای چاپ الکترود به دست آورند. سپس این ترکیب را با استفاده از چاپگر سه‌بعدی روی قطعه‌ای کوچک از بتن چاپ کردند. الکترودها با الگویی شبیه انگشتانی که در یکدیگر قفل شده‌اند، کنار هم قرار گرفتند.
پس از آنکه جوهر چاپ‌شده با آب واکنش داد و فرایند هیدراتاسیون انجام شد، منافذ آن با آب پر شدند. این وضعیت امکان حرکت آسان یون‌های باردار میان الکترودهای چاپ‌شده را فراهم کرد و به ذخیره انرژی الکتریکی انجامید.
پژوهشگران سه ابرخازن را روی یک قطعه بتنی چاپ و به یکدیگر متصل کردند. این مجموعه توانست مجموعه کوچکی از چراغ‌های ال‌ای‌دی را روشن کند. دستگاه در دماهای نسبتاً معتدل عملکرد مناسبی داشت، اما با کاهش دما به حدود منفی ۱۸ درجه سانتی‌گراد، از کار افتاد. به همین دلیل، تحقیقات آینده بر بهبود عملکرد این فناوری در هوای سرد متمرکز خواهد بود.
آزمایش‌ها همچنین نشان دادند که سیمان استفاده‌شده در این ساختار، از نظر مقاومت فشاری عملکردی مشابه بتن تجاری مورد استفاده در ساخت قطعاتی مانند دال‌ها و پله‌ها دارد. از آنجا که ابرخازن‌ها نمی‌توانند انرژی ذخیره‌شده را برای مدت طولانی حفظ کنند، پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند این مصالح به پنل‌های خورشیدی یا دیگر منابع انرژی تجدیدپذیر متصل شوند. در چنین شرایطی، انرژی به‌طور پیوسته به ابرخازن منتقل خواهد شد تا شارژ آن حفظ شود و هنگام نیاز، انرژی موردنظر در دسترس قرار گیرد.
جینگ ژونگ، استاد مؤسسه فناوری هاربین و نویسنده مسئول این پژوهش، درباره چشم‌انداز این فناوری گفت:
اگر مصالح ساختمانی علاوه بر پشتیبانی از سازه‌ها، توانایی ذخیره انرژی، تشخیص شرایط محیط اطراف و حتی تعامل با انسان‌ها را نیز داشته باشند، ساختمان‌ها دیگر صرفاً پناهگاه‌هایی غیرفعال نخواهند بود، بلکه می‌توانند به محیط‌هایی واقعاً هوشمند تبدیل شوند.
مقاله مربوط به این پژوهش به‌تازگی در نشریه علمی ACS Nano منتشر شده است. این فناوری هنوز در مرحله آزمایشی قرار دارد، اما نتایج اولیه نشان می‌دهند که در آینده می‌توان از مصالح ساختمانی برای ذخیره انرژی و تأمین برق برخی تجهیزات موردنیاز ساختمان‌ها بهره گرفت.
نظرات کاربران