مكثفات فائقة من الخرسانة تعد بتحويل المباني إلى أنظمة تخزين ضخمة للطاقة النظيفة

لم يعد تحويل المباني الخرسانية إلى أنظمة تخزين ضخمة للطاقة النظيفة مجرد تصور مستقبلي. ومع سعي المدن للقضاء على انبعاثات الكربون، قد يصبح الأسمنت القادر على تخزين الطاقة قريباً الأساس القياسي للعمارة الحديثة. وقد طور فريق من جامعة هاربين للتكنولوجيا في الصين مكثفاً فائقاً أسمنتياً قابلاً للطباعة ثلاثية الأبعاد، قادراً على تخزين الطاقة دون المساس بالسلامة الهيكلية. ويقال إن التكنولوجيا قوية وفعالة، وإذا تم تطبيقها على نطاق واسع، ستعيد تعريف العمارة الحضرية. وقالت المؤلفة المراسلة للدراسة، تشونغ جينغ: "إذا كانت مواد البناء لا تدعم الهيكل فحسب، بل تخزن الطاقة أيضاً، وتستشعر البيئة المحيطة، بل وتفاعل مع البشر، فإن المباني لن تكون مجرد ملاجئ سلبية، بل بيئات ذكية حقيقية".

مزايا المكثفات الفائقة

تواجه الخرسانة القابلة للشحن بالطاقة المتجددة مشكلة التخزين. فالألواح الشمسية وتوربينات الرياح تولد كميات هائلة من الكهرباء النظيفة، لكن تخزين هذه الطاقة محلياً عادة ما يتطلب بطاريات ثقيلة ومكلفة. تستطيع المكثفات الفائقة تخزين الطاقة وإطلاقها بسرعة، دون الاعتماد على تفاعلات كيميائية بطيئة، وتتحمل ملايين دورات الشحن. إن تضمين هذه الأجهزة في الألواح الأساس أو سلالم الطوابق يتيح للهيكل تخزين الطاقة الشمسية في أوقات الذروة النهارية وإطلاقها فوراً عند الحاجة. يحول هذا النهج الخرسانة الحاملة للأحمال إلى نظام نشط لتخزين الطاقة، مما يقلل الحاجة إلى تركيبات البطاريات الخارجية.

كانت الأجهزة الأسمنتية السابقة تعاني من ضعف القوة الميكانيكية عند الواجهة وبطء مرور الأيونات عبر السمك. حل الفريق هذه المشكلة بخلط أنابيب الكربون النانوية، وأسود الكربون، والأسمنت في حبر قابل للطباعة عالي الموصلية. وباستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد، أودعوا الخليط بنمط متشابك كثيف على شكل أصابع على ألواح الخرسانة. ومع ترطيب الأسمنت، تتشكل مسام دقيقة مملوءة بالماء في المصفوفة، مما يخلق ممرات سريعة الحركة للأيونات المشحونة، ويحقق مقاومة كهربائية ضئيلة. لا قيمة للابتكار إذا انهار المبنى. ولحسن الحظ، أثبتت الاختبارات الصارمة أن ألواح تخزين الطاقة تتمتع بقوة ضغط تعادل الخرسانة التجارية المستخدمة في البناء اليومي.

التحديات التقنية والإمكانات

لإظهار الإمكانات الحقيقية، وصل الباحثون ثلاثة أجهزة مطبوعة على لوح واحد، فأضاءوا مجموعة من مصابيح LED على الفور. في المدى القريب، يمكن استخدام هذه التكنولوجيا لتشغيل الإضاءة الطارئة، وتغذية مستشعرات الأمان، أو إبقاء شبكات مراقبة الصحة الهيكلية عاملة أثناء انقطاع التيار، دون أسلاك خارجية.

وفقاً للدراسة، يوفر هذا المكثف الفائق الخرساني خرجاً كهربائياً قوياً، بكثافة طاقة مخزنة تبلغ 22.52 μWh cm –2. ويوفر خرجاً قدره 0.49 mW cm-2 ضمن نطاق تشغيل 1.0V. وفي الوقت نفسه، تتحمل التكنولوجيا قوة ضغط تبلغ 23.00 MPa، مستوفية معايير قوة الخرسانة الهيكلية للبناء. تؤكد هذه النتائج أن مواد البناء يمكن أن تعمل كوحدات طاقة فعالة دون التضحية بالقدرة على تحمل الأحمال الثقيلة. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا ليست خالية من التحديات. فبينما تعمل المكثفات الفائقة الأسمنتية بسلاسة تحت التسخين والتبريد المعتدلين، ينخفض أداؤها عندما تنخفض الحرارة إلى صفر فهرنهايت (-18°C).

يجمد الطقس البارد حركة الأيونات في مسام الترطيب، مما يحد من خرج الطاقة. لا يزال تعزيز مقاومة المواد للبرد القارس التحدي الرئيسي للفريق قبل التطبيق التجاري.

على الرغم من ذلك، فإن الإمكانات هائلة. يتيح الشحن المتكرر من مصادر متجددة لهذه المكثفات الفائقة الخرسانية تلبية احتياجات الطاقة الخاصة بالمبنى من خلال دورات طاقة مستمرة. وأشارت تشونغ جينغ إلى أن عملية التخزين والإطلاق الروتينية هذه توفر مسارًا قابلاً للتطبيق لتجديد المبنى لاحتياجاته من الطاقة ذاتياً. وقد نُشرت نتائج البحث في مجلة ACS Nano.