مبانٍ تخزّن الكهرباء في خرساناتها؛ تقنية جديدة لباحثين صينيين

في المستقبل القريب، يمكن لأضواء الطوارئ وأنظمة إنذار الحريق وأجهزة الاستشعار وغيرها من تجهيزات المباني أن تستمد طاقتها من مواد البناء نفسها، بدلاً من المولدات العاملة بالوقود أو البطاريات الكبيرة. ويسعى العلماء إلى ت

وفي المستقبل غير البعيد، ستتمكن مصابيح الطوارئ وأنظمة إنذار الحريق وأجهزة الاستشعار وغيرها من المعدات في المباني من توفير طاقتها من مواد البناء بدلاً من مولدات الوقود أو البطاريات الكبيرة.

ولتحقيق هذه الفكرة، طور العلماء مكثفًا فائقًا تجريبيًا يعتمد على الأسمنت ولديه القدرة على تخزين الطاقة الكهربائية. تقوم البطاريات بتخزين الطاقة من خلال التفاعلات الكيميائية، بينما تستخدم المكثفات الفائقة آلية كهروستاتيكية لتخزين الطاقة.

من الناحية العملية، تتمتع البطاريات بكثافة طاقة أعلى بكثير ويمكنها الاحتفاظ بشحنتها لفترة أطول من الزمن؛ لكن المكثفات الفائقة يتم شحنها وتفريغها بمعدل أعلى بكثير. هذه الميزة مهمة جدًا للتطبيقات التي تتطلب إمدادًا سريعًا وقويًا بالطاقة.

ميزة أخرى للمكثفات الفائقة هي القدرة على تحمل عدد أكبر بكثير من دورات الشحن والتفريغ مقارنة بالبطاريات التقليدية. وبالنظر إلى هذه الميزات، قررت مجموعة من الباحثين من معهد هاربين للتكنولوجيا والأكاديمية الصينية للعلوم تصميم مكثف فائق قائم على الأسمنت.

بناء مكثف أسمنتي فائق باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد

مستوحاة من الأبحاث التي أجريت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، قام الباحثون بدمج أنابيب الكربون النانوية وأسود الكربون والأسمنت لإنشاء حبر موصل مناسب للطباعة بالقطب الكهربائي. ثم قاموا بطباعة هذه التركيبة على قطعة صغيرة من الخرسانة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد. تم وضع الأقطاب الكهربائية معًا بنمط مشابه للأصابع المتشابكة.

بعد أن يتفاعل الحبر المطبوع مع الماء وتتم عملية الترطيب، تمتلئ مسامه بالماء. وقد مكّن هذا الوضع من سهولة حركة الأيونات المشحونة بين الأقطاب الكهربائية المطبوعة وأدى إلى تخزين الطاقة الكهربائية.

قام الباحثون بطباعة ثلاثة مكثفات فائقة على قطعة من الخرسانة وربطها ببعضها البعض. كانت هذه المجموعة قادرة على إضاءة مجموعة صغيرة من مصابيح LED. كان أداء الجهاز جيدًا في درجات الحرارة المعتدلة نسبيًا، لكنه توقف عن العمل عندما انخفضت درجة الحرارة إلى حوالي 18 درجة مئوية تحت الصفر. ولهذا السبب، ستركز الأبحاث المستقبلية على تحسين أداء هذه التقنية في الطقس البارد.

كما أظهرت الاختبارات أن الأسمنت المستخدم في هذا الهيكل له نفس أداء الخرسانة التجارية المستخدمة في بناء الأجزاء مثل الألواح والسلالم من حيث قوة الضغط. ونظرًا لأن المكثفات الفائقة لا يمكنها تخزين الطاقة المخزنة لفترات طويلة من الزمن، يقترح الباحثون ربط هذه المواد بالألواح الشمسية أو مصادر الطاقة المتجددة الأخرى. في مثل هذه الحالة، سيتم نقل الطاقة بشكل مستمر إلى المكثف الفائق للحفاظ على شحنته وإتاحة الطاقة المطلوبة عند الحاجة.

وقال جينغ تشونغ، الأستاذ في معهد هاربين للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة، عن آفاق هذه التكنولوجيا:

إذا كانت مواد البناء، بالإضافة إلى الهياكل الداعمة، لديها القدرة على تخزين الطاقة والتعرف على البيئة المحيطة وحتى التفاعل مع البشر، فلن تعد المباني ملاجئ سلبية، بل يمكن أن تصبح بيئات ذكية حقًا.

تم نشر المقال المتعلق بهذا البحث في المجلة العلمية ACS Nano. ولا تزال هذه التقنية في مرحلة تجريبية، لكن النتائج الأولية تظهر أنه في المستقبل يمكن استخدام مواد البناء لتخزين الطاقة وتوفير الكهرباء لبعض المعدات اللازمة في المباني.