تشير دراسة جديدة إلى أن الأسمنت وأسود الكربون (المشابه للفحم الناعم جدًا)، وهما من أكثر المواد التاريخية التي عرفتها البشرية، يمكن أن يشكلا أساسًا لنظام جديد لتخزين الطاقة منخفض التكلفة. ويمكن لهذه التكنولوجيا أن تمكن شبكات الطاقة من البقاء مستقرة على الرغم من التقلبات في إمدادات الطاقة المتجددة، وبالتالي تعزيز استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر.

استخدم مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مادة قديمة وفيرة لإنشاء "مكثف فائق" يمكنه تخزين كميات كبيرة من الطاقة. مصنوع من الأسمنت والماء وأسود الكربون فقط (على غرار مسحوق الفحم)، ويمكن أن يكون الجهاز بمثابة الأساس لنظام غير مكلف لتخزين الطاقة المتجددة المتقطعة، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. مصدر الصورة: فرانز جوزيف أولم، AdmirMasic ويانغ شاوهرن

اكتشف الباحثون أنه يمكن دمج المادتين مع الماء لإنشاء مكثفات فائقة (بديلة للبطاريات) توفر تخزين الطاقة الكهربائية. يقول الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذين طوروا النظام، على سبيل المثال، إن مكثفاتهم الفائقة يمكن تركيبها في نهاية المطاف في الأساسات الخرسانية للمنازل، مما يسمح لهم بتخزين ما يكفي من الكهرباء ليوم كامل مع تكلفة إضافية (أو مخصومة) قليلة أو معدومة من الأساس، مع الاستمرار في توفير القوة الهيكلية اللازمة. ويتصور الباحثون أيضًا رصيفًا خرسانيًا يمكن أن يوفر شحنًا بدون تلامس للسيارات الكهربائية أثناء مرورها فوقه.

يصف أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، فرانز جوزيف أولم، وأدمير ماسيك، ويانغ شاو هورن، إلى جانب أربعة أساتذة آخرين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد ويس، هذه التقنية البسيطة والمبتكرة في ورقة بحثية نشرت مؤخرا في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS).

من حيث المبدأ، المكثف هو جهاز بسيط للغاية يتكون من لوحين موصلين مغمورين في محلول كهربائي، مفصولين بطبقة رقيقة. عندما يتم تطبيق الجهد عبر مكثف، فإن الأيونات الموجبة الشحنة في المنحل بالكهرباء تتجمع على لوحات سالبة الشحنة، والألواح الموجبة الشحنة تجمع أيونات سالبة الشحنة. نظرًا لأن الغشاء الموجود بين الألواح يمنع هجرة الأيونات المشحونة، فإن فصل الشحنات يولد مجالًا كهربائيًا بين الألواح، ويصبح المكثف مشحونًا. يمكن لللوحتين الاحتفاظ بزوج الشحنات لفترة طويلة وإطلاقهما بسرعة عند الحاجة. المكثف الفائق هو مكثف قادر على تخزين شحنات كهربائية كبيرة للغاية.

تعتمد كمية الكهرباء التي يمكن للمكثف تخزينها على المساحة السطحية الإجمالية للوحاته الموصلة. يكمن مفتاح المكثف الفائق الجديد الذي طوره فريق البحث في طريقة إنتاج مادة قائمة على الأسمنت تتمتع بمساحة سطح داخلية عالية للغاية بسبب وجود شبكة كثيفة ومترابطة من المواد الموصلة داخل حجمها. وقد حقق الباحثون ذلك عن طريق إدخال أسود الكربون عالي التوصيل في الخليط الخرساني مع مسحوق الأسمنت والماء والسماح له بالتصلب. عندما يتفاعل الماء مع الأسمنت، فإنه يشكل بشكل طبيعي شبكة متفرعة من الفتحات في الهيكل، ويهاجر الكربون إلى هذه الفراغات، مكونًا هيكلًا يشبه السلك في الأسمنت المتصلب.

تحتوي هذه الهياكل على بنية تشبه النمط الكسري، حيث تنمو الفروع الأكبر إلى فروع أصغر، والتي تنمو إلى فروع أصغر، وهكذا، مما يؤدي في النهاية إلى إنشاء مساحة سطحية كبيرة للغاية ضمن حجم صغير نسبيًا. يتم بعد ذلك نقع هذه المادة في مادة إلكتروليتية قياسية مثل كلوريد البوتاسيوم، وهو ملح، يؤدي إلى تراكم الجزيئات المشحونة على بنية الكربون. ووجد الباحثون أن قطبين كهربائيين مصنوعين من هذه المادة مفصولين بطبقة رقيقة من الفضاء، أو العزل، يمكن أن ينتجا مكثفًا فائقًا قويًا للغاية.

ونظرًا لأن هذه الخرسانة "المكثفة الفائقة" الجديدة تحتفظ بقوتها، فإن المنزل الذي تم بناء أساسه على هذه المادة يمكنه تخزين ما يعادل يوم واحد من الطاقة المولدة بواسطة الألواح الشمسية أو طواحين الهواء واستخدامها عند الحاجة. مصدر الصورة: فرانز جوزيف أولم، AdmirMasic ويانغ شاوهرن

يشبه لوحا المكثف قطبي بطارية قابلة لإعادة الشحن ذات جهد متساوي: مثل البطارية، يتم تخزين الطاقة في اللوحين عند توصيلهما بمصدر طاقة، وبعد ذلك عند توصيلهما بالحمل، يتدفق التيار مرة أخرى، مما يوفر الطاقة الكهربائية.

قال ماسيك: "هذه المادة رائعة، لأن لديك المادة الأكثر استخدامًا من صنع الإنسان في العالم، وهي الأسمنت، ممزوجًا بأسود الكربون، وهي مادة تاريخية معروفة - وقد كتبت فيها مخطوطات البحر الميت. لديك هذه المواد التي يبلغ عمرها ألفي عام على الأقل، وعندما تجمعها بطريقة معينة، فإنك تصنع مركب نانوي موصل، وهنا تصبح الأمور مثيرة للاهتمام حقًا."

"عندما يتماسك الخليط ويتصلب، يتم استهلاك الماء بشكل منهجي من خلال تفاعلات ترطيب الأسمنت، ويؤثر تفاعل الترطيب هذا بشكل أساسي على جزيئات الكربون النانوية لأنها كارهة للماء (طاردة للماء). مع تطور الخليط، يتجمع أسود الكربون ذاتيًا في خيط موصل متصل. هذه العملية قابلة للتكرار بسهولة، باستخدام مواد غير مكلفة ومتوفرة في أي مكان في العالم. كمية الكربون المطلوبة لتحقيق الشبكة المكربنة صغيرة جدًا، وتمثل 3٪ فقط من حجم الخليط."

تتمتع المكثفات الفائقة المصنوعة من هذه المادة بإمكانيات هائلة لمساعدة العالم على التحول إلى الطاقة المتجددة. إن المصادر الرئيسية للطاقة الخالية من الانبعاثات - طاقة الرياح والطاقة الشمسية وطاقة المد والجزر - يتم إنتاجها في أوقات غير منتظمة، وغالباً ما لا تتسق مع ذروة الطلب على الكهرباء، لذا فإن طرق تخزين الكهرباء أمر بالغ الأهمية. "هناك حاجة كبيرة لأجهزة تخزين الطاقة على نطاق واسع. البطاريات الموجودة باهظة الثمن وتعتمد بشكل أساسي على مواد مثل الليثيوم، وهو متوفر بشكل محدود، لذلك هناك حاجة ملحة لبدائل أرخص." وقال أولم: "هذا هو المكان الذي تعتبر فيه تقنيتنا واعدة للغاية، لأن الأسمنت موجود في كل مكان".

وحسب الفريق أن كتلة تبلغ مساحتها 45 مترًا مكعبًا (أو ياردة) من الخرسانة النانوية الكربونية السوداء (أي ما يعادل مكعب يبلغ قطره حوالي 3.5 متر) ستكون كافية لتخزين حوالي 10 كيلووات/ساعة من الطاقة، وهو ما يعادل متوسط ​​الاستخدام اليومي للكهرباء في المنزل. نظرًا لأن الخرسانة تحتفظ بقوتها، فإن المنزل الذي يحتوي على أساس مصنوع من هذه المادة يمكنه تخزين ما يكفي من الكهرباء ليوم واحد من الألواح الشمسية أو طواحين الهواء وجعلها جاهزة للاستخدام عند الحاجة. علاوة على ذلك، يتم شحن وتفريغ المكثفات الفائقة بشكل أسرع بكثير من البطاريات.

بعد سلسلة من الاختبارات لتحديد النسبة الأكثر فعالية للأسمنت وأسود الكربون والماء، ابتكر الفريق مكثفات فائقة صغيرة، بحجم بعض البطاريات الزرية، ويبلغ قطرها حوالي سنتيمتر واحد وسمكها ملليمتر واحد. يمكن شحن كل منها بجهد 1 فولت، أي ما يعادل بطارية 1 فولت. ثم قاموا بتوصيل ثلاث من هذه الخلايا وأظهروا قدرتها على إضاءة صمام ثنائي باعث للضوء (LED) بقدرة 3 فولت. وبعد إثبات هذا المبدأ، يخططون الآن لبناء سلسلة من الإصدارات الأكبر حجمًا، بدءًا بواحدة بنفس حجم بطارية السيارة النموذجية بقوة 12 فولتًا، ومن ثم التوسع إلى نسخة تبلغ سعتها 45 مترًا مكعبًا لإثبات قدرتها على تخزين ما يعادل المنزل من الكهرباء.

ووجدوا أن هناك مقايضة بين سعة تخزين المادة وقوتها الهيكلية. من خلال إضافة المزيد من أسود الكربون، يمكن للمكثف الفائق الناتج تخزين المزيد من الطاقة، لكن الخرسانة ستكون أضعف قليلاً، مما قد يكون مفيدًا في التطبيقات حيث لا تخدم الخرسانة دورًا هيكليًا أو حيث لا تكون هناك حاجة إلى إمكانات القوة الكاملة للخرسانة. ووجدوا أنه بالنسبة لتطبيقات مثل الأساسات أو الأعضاء الهيكلية لقاعدة توربينات الرياح، فإن "النقطة المثالية" هي حوالي 10% من أسود الكربون في المزيج.

هناك تطبيق محتمل آخر للمكثفات الفائقة المصنوعة من الأسمنت الكربوني، وهو بناء أرصفة خرسانية يمكنها تخزين الطاقة المولدة من الألواح الشمسية على جانب الطريق ومن ثم توصيل الطاقة للسيارات الكهربائية التي تسير على طول الطريق باستخدام نفس التقنية المستخدمة لشحن الهواتف المحمولة لاسلكيًا. وتعمل الشركات في ألمانيا وهولندا بالفعل على تطوير نظام شحن السيارات ذي الصلة، ولكن باستخدام البطاريات القياسية.

ويقول الباحثون إن الاستخدامات الأولية لهذه التكنولوجيا يمكن أن تكون في المنازل أو المباني أو الملاجئ المعزولة خارج الشبكة والتي يمكن تشغيلها بواسطة الألواح الشمسية المتصلة بالمكثفات الفائقة الأسمنتية.

النظام قابل للتطوير بشكل كبير لأن سعة تخزين الطاقة هي وظيفة مباشرة لحجم القطب. وقال أولم: "يمكنك التوسع من قطب كهربائي بسمك 1 ملم إلى قطب كهربائي بسمك 1 متر، ومن خلال القيام بذلك، يمكنك بشكل أساسي توسيع قدرة تخزين الطاقة من إضاءة LED لبضع ثوان إلى تشغيل منزل بأكمله".

اعتمادًا على الخصائص المطلوبة لتطبيق معين، يمكن ضبط النظام عن طريق ضبط الخليط. بالنسبة لطرق شحن السيارات، تحتاج إلى سرعات شحن وتفريغ سريعة جدًا، أما بالنسبة لإمدادات الطاقة المنزلية فهناك يوم كامل للشحن، لذلك يمكن استخدام مواد شحن أبطأ.

إذن فهذه مادة متعددة الاستخدامات حقًا. بالإضافة إلى تخزين الطاقة على شكل مكثفات فائقة، يمكن أيضًا استخدام نفس الخليط الخرساني كنظام تسخين عن طريق تمرير الكهرباء ببساطة عبر الخرسانة المحتوية على الكربون.

ويرى أولم أن هذا "طريقة جديدة للنظر إلى مستقبل الخرسانة كجزء من تحول الطاقة".