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May 16, 2023

Científicos del MIT proponen almacenar energía mediante bloques de cemento

Planean comercializar supercondensadores en los próximos años Investigadores del MIT han propuesto una nueva alternativa a las baterías fabricadas con materiales muy básicos. Bloques de cemento infundidos con una forma de carbono.

Plan para comercializar supercondensadores en los próximos años

Investigadores del MIT han propuesto una nueva alternativa a la batería fabricada con materiales muy básicos.

Bloques de cemento con una forma de carbono similar al hollín podrían almacenar suficiente energía para alimentar hogares enteros. Un solo bloque de 3,5 metros podría contener 10 kWh de energía y alimentar una casa durante un día, y la tecnología podría comercializarse en cuestión de años, dicen los científicos.

Condensadores similares integrados en las carreteras podrían cargar automóviles de forma inalámbrica, dicen en un artículo los profesores del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn, y otros en el MIT y en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica.

Los científicos descubrieron que el negro de carbón, una forma del elemento que se encuentra en el material no completamente quemado, se puede agregar a los bloques de cemento a medida que fraguan, convirtiéndolos en supercondensadores, capaces de contener grandes cargas eléctricas.

Los condensadores mantienen la carga eléctrica en conductores metálicos separados. La energía que retienen depende de la superficie del material conductor, y el equipo descubrió que podían crear una superficie enorme de forma muy sencilla añadiendo negro de humo al cemento húmedo.

El negro de humo es muy conductor y se difunde en el cemento húmedo, entrando en las cavidades que deja el agua al reaccionar durante el proceso de curado. Esto crea una red de diminutas microfibras parecidas a alambres dentro del eventual bloque de hormigón sólido, estructurado de forma fractal, con múltiples ramas que sostienen ramas cada vez más pequeñas.

Luego, el material se empapa en sal como cloruro de potasio, que actúa como electrolito y proporciona las partículas cargadas que se acumulan en las estructuras de carbono. Dos electrodos fabricados con este material, separados por un fino espacio o una capa aislante, forman un supercondensador muy potente.

"El material es fascinante", dice Masic, "porque tenemos el material hecho por el hombre más utilizado en el mundo, el cemento, que se combina con negro de humo, que es un material histórico muy conocido; los Rollos del Mar Muerto se escribieron con él". . Tienes estos materiales de al menos dos milenios de antigüedad que, cuando los combinas de una manera específica, dan como resultado un nanocompuesto conductor, y ahí es cuando las cosas se ponen realmente interesantes”.

A medida que la mezcla fragua, “el negro de humo se autoensambla formando un cable conductor conectado”, dice.

Los condensadores de cemento se pueden producir en cualquier parte del mundo y los bloques funcionan con tan solo un tres por ciento de negro de humo en la mezcla.

Los bloques podrían ayudar con la transición energética, porque en todo el mundo se necesita almacenamiento de energía para equilibrar las energías renovables como la solar y la eólica, que no se producen al mismo tiempo que se necesitan.

“Existe una enorme necesidad de almacenamiento de energía a gran escala”, afirma Ulm, y las baterías existentes son caras y dependen de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado, por lo que se necesitan con urgencia alternativas más baratas. "Aquí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento está en todas partes."

El equipo descubrió que un bloque de 45 metros cúbicos de hormigón dopado con nanocarbono tendría capacidad suficiente para almacenar unos 10 kWh de energía, que se calcula que es el consumo medio diario de electricidad de un hogar, por lo que las casas remotas fuera de la red con Las baterías en los cimientos podrían funcionar mediante molinos de viento o paneles solares.

En los centros de datos, podría ser posible tener baterías UPS que formen parte de la estructura del edificio.

Si se requieren condensadores más potentes, se pueden fabricar con una mayor concentración de negro de carbón, a expensas de cierta resistencia estructural. Esto podría resultar útil para aplicaciones en las que el hormigón no desempeña una función estructural o en las que no se requiere todo el potencial de resistencia del hormigón. Para aplicaciones como cimientos o elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el "punto óptimo" es alrededor del 10 por ciento de negro de carbón en la mezcla, dice el equipo.

Como prueba de concepto, el equipo empezó siendo muy pequeño, con supercondensadores del tamaño de una pila de botón, de un centímetro de ancho y un milímetro de grosor. Tres de ellos se cargaron a un voltio y se utilizaron para alimentar un diodo emisor de luz (LED) de 3 V.

El siguiente paso es fabricar bloques del tamaño de una batería de automóvil típica de 12 voltios y luego trabajar hasta una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad para almacenar energía equivalente a una casa.

Más allá de esto, se podrían construir condensadores de cemento en carreteras de hormigón donde almacenarían la energía producida por paneles solares al lado de la carretera y la entregarían de forma inalámbrica para cargar los vehículos que circulan por la carretera. La carga inalámbrica para automóviles se utiliza en Alemania y otros lugares.

Ulm afirma que el sistema es muy escalable, ya que la capacidad de almacenamiento de energía es función directa del volumen de los electrodos. "Se puede pasar de electrodos de un milímetro de espesor a electrodos de un metro de espesor y, al hacerlo, básicamente se puede escalar la capacidad de almacenamiento de energía, desde encender un LED durante unos segundos hasta alimentar una casa entera", afirma. También es sintonizable permitiendo una carga más rápida o más lenta, según la mezcla utilizada.

Las emisiones del hormigón en la industria de la construcción son enormes y representan el ocho por ciento de las emisiones mundiales, más que las producidas por la industria aérea. Ulm dice que convertir el hormigón en almacenamiento de energía podría convertirlo en "parte de la transición energética".

El equipo de investigación también incluyó a los postdoctorados Nicolas Chanut y Damian Stefaniuk del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, James Weaver del Instituto Wyss y Yunguang Zhu del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. El trabajo contó con el apoyo del MIT Concrete Sustainability Hub, con el patrocinio de la Concrete Advancement Foundation.