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Un cemento capace di immagazzinare energia potrebbe trasformare gli edifici del futuro in enormi batterie elettriche. A svilupparlo sono stati alcuni scienziati dell’Istituto di Tecnologia di Harbin e dell’Accademia Cinese delle Scienze, che hanno creato un nuovo materiale da costruzione in grado non solo di sostenere determinate strutture ma anche di accumulare e distribuire elettricità. L’idea si inserisce in un contesto preciso, perché diversi Paesi stanno cercando strade alternative per affrontare la crisi energetica e una delle soluzioni studiate negli ultimi anni riguarda proprio i materiali da costruzione multifunzionali, capaci di reggere carichi e conservare energia nello stesso momento.
Secondo gli specialisti questi prodotti di nuova generazione potrebbero allargare il ruolo delle infrastrutture civili nelle strategie per garantire le forniture energetiche e accelerare il passaggio alle fonti rinnovabili. Il problema è che realizzare su larga scala dispositivi di accumulo a base di cemento, pensati per integrarsi nelle architetture, comporta parecchie difficoltà. La prima consiste nel mantenere uniti i componenti che conservano e distribuiscono l’elettricità a quelli che garantiscono il sostegno, come appunto il cemento. A questo si aggiunge la complessità di far avvenire il processo di ionizzazione senza interferenze all’interno del materiale, condizione indispensabile per conservare l’efficienza dell’accumulo.
Cemento che accumula energia: un supercondensatore stampato in 3D
La ricerca, pubblicata sulla rivista ACS Nano, ha affrontato questi ostacoli progettando un supercondensatore sperimentale di cemento stampato in 3D che nei test di laboratorio ha dimostrato di poter immagazzinare elettricità senza compromettere la resistenza del calcestruzzo. A differenza delle batterie tradizionali, che sfruttano reazioni chimiche per accumulare e rilasciare energia, i supercondensatori funzionano secondo principi elettrostatici e raccolgono le cariche elettriche sulla superficie dei loro elettrodi. La differenza pesa parecchio sul comportamento dei due sistemi. Le batterie in genere conservano più energia e la rilasciano per periodi lunghi, mentre i supercondensatori si caricano e si scaricano molto più in fretta. Per questo tornano utili quando serve fornire grandi quantità di elettricità in poco tempo, e in più sopportano molti più cicli di carica e scarica prima che le prestazioni calino in modo significativo.
Partendo da questo principio i ricercatori hanno costruito il dispositivo con una tecnica chiamata scrittura diretta a inchiostro, che permette di depositare i materiali seguendo uno schema preciso. Hanno preparato un inchiostro conduttivo con nanotubi di carbonio, nerofumo e cemento tradizionale, una miscela che favorisce l’accumulo di energia e riduce il rischio che i componenti si separino. Il composto è stato poi stampato su una lastra di calcestruzzo con un disegno interdigitato, simile a due mani le cui dita si intrecciano senza toccarsi. Questa disposizione ha mantenuto la giusta vicinanza e la giusta distanza tra gli elettrodi per agevolare la ionizzazione, evitando anche che il rendimento energetico peggiorasse con l’aumentare dello spessore del materiale.
I risultati dei test e i limiti ancora da superare
Nelle prove condotte entro un intervallo di funzionamento di un volt, il supercondensatore ha raggiunto una capacità superficiale di 162,14 millifarad per centimetro quadrato, misurata con una corrente di 0,46 milliampere per centimetro quadrato. La capacità indica quanta carica elettrica un dispositivo riesce a conservare a una determinata tensione. Il materiale ha registrato anche una densità di energia superficiale di 22,52 microwattora per centimetro quadrato, cioè la quantità di energia accumulabile rispetto alla superficie occupata, e una densità di potenza di 0,49 milliwatt per centimetro quadrato, valore che esprime la rapidità con cui l’elettricità immagazzinata può essere rilasciata. Sul fronte meccanico la resistenza alla compressione è di 23 megapascal, paragonabile a quella del calcestruzzo commerciale usato per scale e solai.
Gli stessi autori riconoscono che il progetto ha ancora dei limiti. I valori di resistenza ottenuti non dimostrano che il materiale possa essere impiegato in qualsiasi edificio o elemento strutturale, e il rendimento del supercondensatore crolla drasticamente a 18 gradi sotto zero. I ricercatori non escludono nemmeno che il comportamento possa cambiare in condizioni di forte umidità. Nonostante questo considerano il lavoro un passo avanti importante, capace in futuro di ampliare le funzioni delle infrastrutture urbane e di aiutare ad affrontare la crisi energetica. “Se i materiali da costruzione non solo potessero sostenere strutture, ma anche immagazzinare energia, percepire l’ambiente circostante e persino interagire con le persone, gli edifici diventerebbero qualcosa di più di rifugi passivi. Potrebbero trasformarsi in ambienti davvero intelligenti”, ha dichiarato Jing Zhong, ricercatore dell’Istituto di Tecnologia di Harbin e autore principale dello studio.
Fonte: TecnoAndroid
