تصور کنید ساختمان‌ها بتوانند بخشی از برق موردنیاز خود را در دیوارها، کف و دیگر اجزای سازه ذخیره کنند. در چنین شرایطی، مصالح ساختمانی علاوه‌بر تحمل وزن ساختمان، می‌توانند انرژی لازم برای روشنایی اضطراری، حسگرها و سامانه‌های هشدار آتش‌سوزی را نیز تأمین کنند. پژوهشگران چینی با ساخت نوعی سیمان ابرخازنی، گامی اولیه برای تحقق این ایده برداشته‌اند.
گروهی از دانشمندان مؤسسه فناوری هاربین و آکادمی علوم چین موفق شده‌اند ابرخازنی مبتنی بر سیمان بسازند که با استفاده از چاپ سه‌بعدی تولید می‌شود و می‌تواند انرژی الکتریکی ذخیره کند. ویژگی جالب مصالح جدید این است که مقاومت فشاری آن با بتن معمولی مورد استفاده در ساخت دال‌های ساختمانی و راه‌پله‌ها قابل مقایسه است.
فناوری جدید می‌تواند در آینده به ساخت ساختمان‌هایی کمک کند که بخشی از مصالح آن‌ها علاوه‌بر نقش سازه‌ای، وظیفه ذخیره انرژی را نیز برعهده دارند.
برای درک عملکرد سیمان جدید، ابتدا باید تفاوت باتری و ابرخازن را بدانیم. باتری‌ها انرژی را به کمک واکنش‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند، اما ابرخازن‌ها از سازوکار الکترواستاتیکی استفاده می‌کنند؛ به این معنا که انرژی از طریق تجمع و جداسازی بارهای الکتریکی ذخیره می‌شود.
دانشمندان با ترکیب سیمان، نانولوله‌های کربنی و کربن سیاه، ماده‌ای رسانا تولید کردند و با چاپ سه‌بعدی، ابرخازن‌هایی ساختند که توانستند چند چراغ LED کوچک را روشن کنند
باتری‌ها معمولاً می‌توانند در حجم یکسان انرژی بیشتری نگه دارند و شارژ خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کنند. در مقابل، ابرخازن‌ها بسیار سریع‌تر شارژ می‌شوند و می‌توانند انرژی ذخیره‌شده را نیز با سرعت بیشتری آزاد کنند. همچنین تعداد دفعات شارژ و تخلیه‌ای که تحمل می‌کنند، به‌مراتب بیشتر از باتری‌های معمولی است. همین ویژگی‌ها باعث شده ابرخازن‌ها برای کاربردهایی که به شارژ سریع، عمر طولانی و تأمین لحظه‌ای توان الکتریکی نیاز دارند، گزینه مناسبی باشند.
پژوهشگران چینی با الهام از تحقیقات مشابه در مؤسسه فناوری ماساچوست، تصمیم گرفتند قابلیت ذخیره انرژی را به یکی از رایج‌ترین مصالح ساختمانی اضافه کنند: سیمان.
آن‌ها ابتدا نانولوله‌های کربنی، کربن سیاه و سیمان را با یکدیگر ترکیب کردند تا نوعی جوهر رسانای مناسب برای چاپ سه‌بعدی بسازند. سپس جوهر را با استفاده از چاپگر سه‌بعدی روی یک قطعه کوچک بتنی قرار دادند.
الگوی چاپ‌شده از الکترودهایی تشکیل شده بود که مانند انگشتان دو دست در فاصله میان یکدیگر قرار می‌گرفتند. چنین آرایشی سطح تماس مؤثری میان الکترودها ایجاد می‌کند و امکان ساخت ابرخازنی فشرده را فراهم می‌سازد.
در مرحله بعد، با آب‌رسانی به ماده چاپ‌شده، منافذ درون ساختار آن از آب پر شدند. وجود آب در این منافذ به یون‌های باردار امکان می‌دهد میان الکترودها حرکت کنند؛ فرایندی که برای عملکرد ابرخازن ضروری است.
برای آزمایش کارایی ماده جدید، پژوهشگران سه ابرخازن را روی یک قطعه بتنی چاپ و به یکدیگر متصل کردند. مجموعه حاصل توانست انرژی موردنیاز برای روشن‌کردن چند چراغ LED کوچک را تأمین کند.
البته عملکرد ابرخازن در همه شرایط یکسان نبود. دستگاه در دماهای معتدل به‌درستی کار می‌کرد، اما با کاهش دما به حدود منفی ۱۸ درجه سانتی‌گراد، عملکرد آن متوقف شد. پژوهشگران قصد دارند در مراحل بعدی، مقاومت فناوری در برابر سرما را افزایش دهند.
یکی دیگر از بخش‌های مهم آزمایش، بررسی استحکام مصالح بود. نتایج نشان داد که سیمان ابرخازنی از مقاومت فشاری قابل مقایسه با بتن تجاری مورد استفاده در دال‌ها و پله‌های ساختمانی برخوردار است. چنین خصوصیتی اهمیت زیادی دارد، زیرا مصالحی که قرار است بخشی از سازه ساختمان باشند، باید علاوه‌بر قابلیت ذخیره انرژی، فشارهای مکانیکی را نیز تحمل کنند.
بااین‌حال، روشن‌شدن چند چراغ کوچک هنوز به معنای امکان تأمین برق یک ساختمان با سیمان جدید نیست. فناوری فعلاً در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد و برای استفاده در مقیاس ساختمانی به بررسی‌ها و توسعه بیشتری نیاز خواهد داشت.
یکی از محدودیت‌های ابرخازن‌ها این است که برخلاف باتری‌ها، نمی‌توانند انرژی ذخیره‌شده را برای مدت طولانی حفظ کنند. به همین دلیل، پژوهشگران استفاده از سیمان جدید را در کنار منابع تولید برق تجدیدپذیر پیشنهاد می‌کنند.
مقاومت فشاری سیمان جدید با بتن‌های رایج ساختمانی قابل مقایسه است، اما عملکرد ابرخازن در دمای حدود منفی ۱۸ درجه سانتی‌گراد متوقف می‌شود
برای مثال، می‌توان ابرخازن‌های سیمانی را به پنل‌های خورشیدی متصل کرد تا در طول روز به‌طور مداوم شارژ شوند. انرژی ذخیره‌شده نیز در صورت نیاز برای تأمین برق تجهیزات کم‌مصرف ساختمان، مانند حسگرها، روشنایی اضطراری و برخی سامانه‌های هشدار استفاده شود.
چنین کاربردی می‌تواند در آینده وابستگی بعضی تجهیزات ساختمانی به باتری‌های جداگانه یا منابع برق پشتیبان را کاهش دهد؛ هرچند پژوهش حاضر هنوز عملکرد این سامانه را در یک ساختمان واقعی نشان نداده است.
جینگ ژونگ، استاد مؤسسه فناوری هاربین و نویسنده مسئول پژوهش، معتقد است مصالح ساختمانی می‌توانند در آینده وظایفی فراتر از حفظ استحکام سازه داشته باشند. او می‌گوید اگر مصالح بتوانند هم‌زمان انرژی ذخیره کنند، محیط اطرافشان را تشخیص دهند و حتی با انسان‌ها تعامل داشته باشند، ساختمان‌ها از سرپناه‌هایی غیرفعال به محیط‌هایی واقعاً هوشمند تبدیل خواهند شد.
پژوهش در ژورنال ACS Nano منتشر شده است.
لینک پیشنهادی
