ساخت یک ابرخازن جدید از قدیمی ترین مواد در تاریخ
به گزارش گروه هوش مصنوعی، ابرخازن جدیدی که از سیمان، کربن سیاه و آب ساخته شده است، می تواند امکان ذخیره ارزان و مقیاس پذیر منابع انرژی تجدیدپذیر را فراهم آورد.
به گزارش گروه هوش مصنوعی به نقل از ایسنا و به نقل از ام آی تی نیوز، پژوهش جدید مهندسان دانشگاه «ام آی تی»(MIT) نشان داده است دو مورد از رایج ترین مواد باستانی یعنی سیمان و کربن سیاه امکان دارد بتوانند مبنایی برای یک سیستم ذخیره انرژی جدید و کم هزینه باشند. این فناوری می تواند استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد و جزر و مد را تسهیل کند تا پایداری شبکه های انرژی با وجود نوسانات در عرضه انرژی تجدیدپذیر حفظ شود.
پژوهشگران دریافتند این دو ماده را میتوان با آب ترکیب کرد و نوعی ابرخازن را بعنوان جایگزین برای باتری ها ساخت که می تواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند. بعنوان مثال، مهندسانی که این سیستم را ابداع نموده اند، می گویند که ابرخازن آنها را در نهایت میتوان در شالوده بتنی یک خانه گنجاند تا انرژی یک روز کامل را ذخیره کند، استقامت سازه مورد نیاز را تأمین کند و در عین حال، هزینه کمی داشته باشد. همچنین، این گروه پژوهشی از یک جاده بتنی صحبت کردند که می تواند شارژ مجدد را برای خودرو های الکتریکی هنگام حرکت در آن جاده فراهم آورد.
این فناوری ساده اما نوآورانه توسط «فرانتس جوزف اولم»(Franz-Josef Ulm)، «ادمیر ماسیچ»(Admir Masic) و «یانگ شائو هورن»(Yang-Shao Horn) استادان دانشگاه ام آی تی و با همکاری چهار پژوهشگر دیگر ام آی تی و «موسسه مهندسی بیولوژیکی ویس»(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) ابداع شده است.
خازن ها در اصل دستگاههای بسیار ساده ای شامل دو صفحه رسانای الکتریکی هستند که در یک الکترولیت غوطه ور شده و بوسیله ی یک غشا از هم جدا شده اند. هنگامی که ولتاژ در خازن اعمال می شود، یون های دارای بار مثبت الکترولیت در صفحه دارای بار منفی جمع می شوند و صفحه دارای بار مثبت، یون های دارای بار منفی را جمع می کند. از آنجائیکه غشای بین صفحات مانع انتقال یون های آبستن می شود، این جداسازی بارها یک میدان الکتریکی را بین صفحات بوجود می آورد و خازن شارژ می شود. این دو صفحه می توانند شارژ را برای بلندمدت حفظ کنند و سپس در صورت نیاز، آنها را خیلی سریع تحویل دهند. ابرخازن ها صرفاً خازن هایی هستند که می توانند بارهای فوق العاده زیادی را ذخیره کنند.
مقدار نیرویی که یک خازن می تواند ذخیره کند، به سطح کل صفحه های رسانای آن بستگی دارد. کلید ابرخازن های جدید این گروه پژوهشی، از روش تولید ماده ای مبتنی بر سیمان الهام گرفته شده که شبکه ای متراکم و به هم پیوسته از مواد رسانا را در خود جای داده است. پژوهشگران برای این کار، کربن سیاه را که بسیار رسانا است، به همراه پودر سیمان و آب به مخلوط بتن افزودند.
آب به صورت طبیعی در اثر واکنش با سیمان، یک شبکه از منافذ را در سازه تشکیل می دهد و کربن به این فضا انتقال می یابد تا ساختارهای سیم مانندی را در سیمان سفت شده ایجاد نماید. سپس، این ماده در یک ماده الکترولیت استاندارد مانند کلرید پتاسیم خیس می شود تا امکان حضور ذرات آبستن تجمع یافته روی ساختارهای کربن را فراهم آورد. پژوهشگران دریافتند دو الکترود ساخته شده از این ماده که بوسیله ی یک فضای باریک یا یک لایه عایق از هم جدا شده اند، یک ابرخازن بسیار قوی را می سازند. دو صفحه خازن، درست مانند دو قطب یک باتری قابل شارژ با ولتاژ استاندارد عمل می کنند. هنگامی که آنها به یک منبع برق متصل می شوند، انرژی آنها در صفحات ذخیره می شود و سپس، جریان الکتریکی برای تأمین برق به بیرون برمی گردد.
ماسیچ اظهار داشت: این ماده جذاب است چونکه پرمصرف ترین مواد جهان در آن به کار رفته اند. سیمان با کربن سیاه ترکیب شده که یک ماده شناخته شده از نظر تاریخی است و «طومارهای دریای مرده»(Dead Sea Scrolls) با آن نوشته شده اند. شما این مواد حداقل دو هزار ساله را در اختیار دارید که وقتی آنها را به روشی خاص ترکیب می کنید، به یک نانوکامپوزیت رسانا می رسید و آن وقت است که همه چیز واقعا جالب می شود.
ماسیچ افزود: همان گونه که مخلوط سفت می شود، آب به صورت سیستماتیک از راه واکنش های هیدراتاسیون سیمان مصرف می شود و این هیدراتاسیون اساسا بر نانوذرات کربن تاثیر می گذارد چونکه آنها آب گریز هستند. با تکامل یافتن مخلوط، کربن سیاه به یک سیم رسانا متصل می شود. این فرایند با موادی که ارزان هستند و به سادگی در هر نقطه از جهان در دسترس قرار دارند، به سادگی قابل تکرار است. مقدار کربن مورد نیاز برای دستیابی به یک شبکه کربن، خیلی کم و به اندازه سه درصد حجم مخلوط است.
اولم اظهار داشت: ابرخازن های ساخته شده از این ماده، پتانسیل زیادی را برای کمک کردن در روند انتقال جهان به سمت مصرف انرژی های تجدیدپذیر دارند. همه منابع اصلی انرژی شامل باد، خورشید و نیروی جزرومدی، خروجی خویش را در زمان های متغیری تولید می کنند که اکثرا با نقاط اوج مصرف برق مطابقت ندارد. بنابراین، در اختیار داشتن راه هایی برای ذخیره این انرژی ضروری می باشد. نیاز زیادی به ذخیره سازی انرژی های بزرگ وجود دارد اما باتری های موجود، هزینه بسیار بالایی دارند و عموما به موادی مانند لیتیوم متکی هستند که عرضه آنها محدود است. بنابراین، عرضه جایگزین های ارزان تر بشدت مورد نیاز است. اینجاست که فناوری ما بسیار امیدوارکننده می شود چونکه سیمان در همه جا وجود دارد.
یکی دیگر از کاربردهای بالقوه ابرخازن های کربن-سیمان، ساخت بتن هایی است که می توانند انرژی تولیدشده توسط پنل های خورشیدی را در کنار جاده ذخیره کنند و سپس با استفاده از فناوری مورد استفاده برای تلفن های قابل شارژ بی سیم، آن انرژی را به خودرو های الکتریکی که در امتداد جاده حرکت می کنند تحویل دهند. نوعی سیستم شارژ مجدد خودرو هم اکنون توسط برخی شرکت ها در آلمان و هلند درحال توسعه است اما از باتری های استاندارد برای ذخیره سازی استفاده می نماید.
به قول پژوهشگران، کاربرد اولیه این فناوری امکان دارد برای خانه ها، ساختمان ها یا پناهگاه های دور از شبکه برق باشد و برق آنها توسط پنل های خورشیدی متصل به ابرخازن های سیمانی تامین گردد.
اولم تصریح کرد که این سیستم بسیار مقیاس پذیر خواهد بود چونکه ظرفیت ذخیره انرژی، یک تابع مستقیم از حجم الکترودها است. وی ادامه داد: بسته به خصوصیت های مورد نظر برای یک برنامه ویژه، سیستم را میتوان با تغییر دادن مخلوط تنظیم کرد. برای جاده ای که وسیله نقلیه در آن شارژ می شود، به شارژ و دشارژ بسیار سریع نیاز است اما برای برق رسانی به یک خانه، همه روز فرصت دارید تا آنرا شارژ کنید. بنابراین، برای خانه میتوان از موادی با شارژ کندتر بهره برد.
اولم افزود: این در واقع یک ماده چندمنظوره است. علاوه بر توانایی آن در ذخیره انرژی به شکل ابرخازن، از همین نوع مخلوط بتن میتوان بعنوان یک سیستم گرمایشی استفاده نمود. این کار به آسانی و با اعمال الکتریسیته به بتن حاوی کربن صورت می گیرد.
اولم تصریح کرد که این ایده را راهی جدید برای نگاه کردن به آینده بتن بعنوان بخشی از فرایند انتقال انرژی می داند.
این پژوهش، در مجله «PNAS» به چاپ رسید.
مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب