I tecnici del MIT hanno creato un cemento che funge anche da supercondensatore elettrico per accumulare energia

Gli ingegneri del MIT hanno creato un supercondensatore a partire da cemento, acqua e nerofumo, o black carbon. Il supercondensatore è realizzato con materiali abbondanti e a basso costo, in grado di immagazzinare grandi quantità di energia. Il dispositivo potrebbe costituire la base per sistemi economici che immagazzinano energia rinnovabile intermittente, come quella solare o eolica.

Secondo un nuovo studio, due dei materiali storici più diffusi nell’umanità, il cemento e il nerofumo (che assomiglia a carbone finissimo), potrebbero costituire la base per un nuovo sistema di accumulo di energia a basso costo. La tecnologia potrebbe facilitare l’uso di fonti energetiche rinnovabili come l’energia solare, eolica e delle maree, consentendo alle reti energetiche di rimanere stabili nonostante le fluttuazioni della fornitura di energia rinnovabile.

I ricercatori hanno scoperto che i due materiali possono essere combinati con l’acqua per creare un supercondensatore – un’alternativa alle batterie – che potrebbe fornire l’accumulo di energia elettrica. A titolo di esempio, i ricercatori del MIT che hanno sviluppato il sistema affermano che il loro supercondensatore potrebbe essere incorporato nelle fondamenta in calcestruzzo di una casa, dove potrebbe immagazzinare l’energia di un giorno intero, aggiungendo poco (o niente) al costo delle fondamenta e fornendo comunque la necessaria resistenza strutturale. I ricercatori immaginano anche una carreggiata in cemento che potrebbe fornire una ricarica senza contatto alle auto elettriche che la percorrono.

La tecnologia, semplice ma innovativa, è descritta in un articolo di prossima pubblicazione sulla rivista PNAS, a firma dei professori del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn e di altri quattro ricercatori del MIT e del Wyss Institute.

I condensatori sono in linea di principio dispositivi molto semplici, costituiti da due piastre elettricamente conduttive immerse in un elettrolita e separate da una membrana. Quando si applica una tensione al condensatore, gli ioni con carica positiva dell’elettrolita si accumulano sulla piastra con carica negativa, mentre la piastra con carica positiva accumula ioni con carica negativa. Poiché la membrana tra le piastre blocca la migrazione degli ioni carichi, questa separazione di cariche crea un campo elettrico tra le piastre e il condensatore si carica. Le due piastre possono mantenere questa coppia di cariche per un certo periodo di tempo e poi rilasciarle molto rapidamente quando necessario. I supercondensatori sono semplicemente condensatori in grado di immagazzinare cariche eccezionalmente grandi.

La quantità di energia che un condensatore può immagazzinare dipende dalla superficie totale delle sue piastre conduttrici. La chiave dei nuovi supercondensatori sviluppati da questo team deriva da un metodo per produrre un materiale a base di cemento con un’area superficiale interna estremamente elevata, grazie a una fitta rete interconnessa di materiale conduttivo all’interno del suo volume.

I ricercatori hanno ottenuto questo risultato introducendo il nerofumo – che è altamente conduttivo – in una miscela di cemento insieme a polvere di cemento e acqua, e lasciando indurire il tutto.

L’acqua, reagendo con il cemento, forma naturalmente una rete ramificata di aperture all’interno della struttura e il carbonio migra in questi spazi creando strutture simili a fili all’interno del cemento indurito. Queste strutture hanno una struttura frattale, con rami più grandi che germogliano rami più piccoli, e questi ultimi germogliano ramificazioni ancora più piccole, e così via, ottenendo una superficie estremamente ampia entro i confini di un volume relativamente piccolo.

Il materiale viene poi immerso in un elettrolita standard, come il cloruro di potassio, un sale molto comune che si può ottenere dal sale marino, che fornisce le particelle cariche che si accumulano sulle strutture di carbonio. I ricercatori hanno scoperto che due elettrodi fatti di questo materiale, separati da uno spazio sottile o da uno strato isolante, formano un supercondensatore molto potente.

Le due piastre del condensatore funzionano come i due poli di una batteria ricaricabile di tensione equivalente: Quando vengono collegate a una fonte di elettricità, come nel caso di una batteria, l’energia viene immagazzinata nelle piastre e poi, quando vengono collegate a un carico, la corrente elettrica esce di nuovo per fornire energia.

“Il materiale è affascinante”, ha affermato il ricercatore Admir Masic, “perché si tratta del materiale più usato al mondo dall’uomo, il cemento, combinato con il nerofumo, che è un materiale storico ben noto – i Rotoli del Mar Morto sono stati scritti con esso. Si tratta di materiali vecchi di almeno due millenni che, combinati in modo specifico, danno vita a un nanocomposito conduttivo, ed è qui che le cose si fanno davvero interessanti”.

Quando la miscela si solidifica e si indurisce, spiega il ricercatore, “l’acqua viene sistematicamente consumata attraverso le reazioni di idratazione del cemento, e questa idratazione influisce fondamentalmente sulle nanoparticelle di carbonio perché sono idrofobe (respingono l’acqua)”. Man mano che la miscela si evolve, “il nerofumo si autoassembla in un filo conduttore collegato”. Il processo è facilmente riproducibile, con materiali poco costosi e facilmente reperibili in tutto il mondo. Inoltre, la quantità di carbonio necessaria è molto bassa – appena il 3% in volume della miscela – per ottenere una rete di carbonio percolata, ha spiegato Masic.

Il team ha calcolato che un blocco di calcestruzzo drogato di nanocarbonio di 45 metri cubi, equivalente a un cubo di circa 3,5 metri di lato – avrebbe una capacità sufficiente per immagazzinare circa 10 kilowattora di energia, che è considerata il consumo medio giornaliero di elettricità per una famiglia. Poiché il calcestruzzo manterrebbe la sua forza, una casa con fondamenta realizzate con questo materiale potrebbe immagazzinare l’energia prodotta per un giorno da pannelli solari o pale eoliche  e utilizzarla quando serve. Inoltre, i supercondensatori possono essere caricati e scaricati molto più rapidamente delle batterie, anzi il problema serebbe, se mai, moderare lo scarico.

Dopo una serie di test per determinare i rapporti più efficaci tra cemento, nerofumo e acqua, il team ha dimostrato il processo realizzando piccoli supercondensatori, delle dimensioni di alcune batterie a bottone, con un diametro di circa 1 centimetro e uno spessore di 1 millimetro, che potevano essere caricati ciascuno a 1 volt, come una batteria da 1 volt. Hanno poi collegato tre di questi per dimostrare la loro capacità di illuminare un diodo a emissione luminosa (LED) da 3 volt. Avendo dimostrato il principio, ora hanno in programma di costruire una serie di versioni più grandi, iniziando con quelle delle dimensioni di una tipica batteria per auto da 12 volt, per poi arrivare a una versione da 45 metri cubi, per dimostrare la capacità di immagazzinare una quantità di energia pari a quella di una casa.

Hanno scoperto che esiste un compromesso tra la capacità di accumulo del materiale e la sua resistenza strutturale. Aggiungendo più nerofumo, il supercondensatore risultante è in grado di immagazzinare più energia, ma il calcestruzzo è leggermente più debole, e questo potrebbe essere utile per applicazioni in cui il calcestruzzo non svolge un ruolo strutturale o in cui non è richiesta la piena resistenza potenziale del calcestruzzo. Per applicazioni come le fondazioni o gli elementi strutturali della base di una turbina eolica, il “punto di forza” è circa il 10% di nerofumo nell’impasto.

Un’altra potenziale applicazione dei supercondensatori in carbon-cemento è la costruzione di carreggiate in calcestruzzo che potrebbero immagazzinare l’energia prodotta dai pannelli solari lungo la strada e poi fornirla ai veicoli elettrici che la percorrono, utilizzando lo stesso tipo di tecnologia usata per i telefoni ricaricabili in modalità wireless. Un tipo simile di sistema di ricarica per auto è già in fase di sviluppo da parte di aziende in Germania e nei Paesi Bassi, ma utilizza batterie standard per l’immagazzinamento.

I primi utilizzi di questa tecnologia potrebbero essere per case o edifici isolati o rifugi lontani dalla rete elettrica, che potrebbero essere alimentati da pannelli solari collegati ai supercondensatori di cemento, dicono i ricercatori.

Ulm afferma che il sistema è molto scalabile, poiché la capacità di immagazzinare energia è una funzione diretta del volume degli elettrodi. “Si può passare da elettrodi dello spessore di un millimetro a elettrodi dello spessore di un metro, e così facendo si può scalare la capacità di accumulo di energia dall’accensione di un LED per pochi secondi all’alimentazione di un’intera casa”, ha detto.

A seconda delle proprietà desiderate per una determinata applicazione, il sistema potrebbe essere messo a punto regolando la miscela. Per una strada di ricarica per veicoli, sarebbero necessari tassi di carica e scarica molto veloci, mentre per alimentare una casa “si ha tutto il giorno per ricaricarla”, quindi si potrebbe usare un materiale a carica più lenta, ha detto Ulm. “Quindi, è davvero un materiale multifunzionale”, aggiunge. Oltre alla capacità di immagazzinare energia sotto forma di supercondensatori, lo stesso tipo di miscela di calcestruzzo può essere utilizzato come sistema di riscaldamento, semplicemente applicando l’elettricità al calcestruzzo con carbonio.

Questo cemento permetterebbe una nuova visione dell’accumulazione su grande scala e della transizione energetica, senza danneggiare le strutture in cui viene installato.