از دیوار تا باتری: بتن‌های هوشمند در آستانه ورود به صنعت ساخت‌وساز

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) گام تازه‌ای در مسیر ایجاد پیوند میان مصالح ساختمانی و فناوری‌های نوین انرژی برداشته‌اند. بتن، ماده‌ای که قرن‌هاست ستون فقرات ساخت‌وساز جهان به شمار می‌رود، اکنون در آستانه نقشی تازه قرار گرفته است: تبدیل شدن به یک سامانه ذخیره انرژی. بر اساس گزارش‌ها، تیم MIT موفق شده است ظرفیت ذخیره انرژی در «ابرخازن‌های کربن ــ سیمانی» را تا ده برابر افزایش دهد؛ موفقیتی که می‌تواند سازه‌های معمولی مانند دیوارها، کف‌پوش‌ها و پل‌ها را به «باتری‌های غول‌پیکر» تبدیل کند.

فناوری بتن رسانای الکترون؛ گامی به سوی مصالح چندمنظوره

بتن نوینی که در MIT توسعه یافته، با ترکیب سیمان، آب، دوده کربن بسیار ریز در مقیاس نانو (ultra-fine carbon black) و الکترولیت‌ها ساخته می‌شود. این ترکیب، شبکه‌ رسانای الکترونی درون بتن ایجاد می‌کند که پژوهشگران آن را ec³
(Electron-Conducting Carbon Concrete) می‌نامند.
نتیجه این ساختار، شکل‌گیری یک «نانو نت‌ورک» (شبکه نانویی) درون بتن است که جریان الکتریسیته را هدایت کرده و انرژی را درون خود ذخیره می‌کند. به بیان ساده، دیوار یا پیاده‌رویی که از این بتن ساخته شود، می‌تواند انرژی الکتریکی را ذخیره و در زمان نیاز آزاد کند.

به گفته‌ پروفسور ادمیر ماسیک (Admir Masic)، استاد مهندسی عمران و محیط‌زیست و مدیر مشترک مرکز EC³ Hub در MIT، کلید پایداری بتن در آینده، توسعه‌ بتن‌های چندمنظوره است؛ مصالحی که علاوه بر نقش سازه‌ای، قابلیت‌هایی مانند ذخیره انرژی، ترمیم خودکار و جذب دی‌اکسیدکربن را نیز داشته باشند. پس وقتی بتن پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی دنیاست، چرا از این مقیاس عظیم برای اهداف بزرگ‌تر استفاده نکنیم؟

درک ساختار نانویی و جهش در ظرفیت انرژی

افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی در بتن ec³ حاصل شناخت دقیق‌تری از ساختار درونی آن است. تیم MIT با استفاده از فناوری FIB-SEM Tomography، که شامل برداشت لایه‌به‌لایه از سطح نمونه و تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی روبشی است، توانست شبکه رسانای نانویی درون بتن را با بالاترین وضوح ممکن بازسازی کند.

نتایج نشان داد که این شبکه در واقع ساختاری فرکتالی و تارعنکبوتی‌شکل دارد که منافذ بتن را احاطه کرده است. چنین ساختاری، امکان نفوذ موثر الکترولیت و جریان الکتریکی یکنواخت را در سراسر ماده فراهم می‌کند. ماسیک در این باره توضیح می‌دهد: «درک نحوه‌ خودسازمان‌دهی این مواد در مقیاس نانو، کلید دستیابی به عملکردهای جدیدی است که پیش‌تر تصور نمی‌کردیم بتن قادر به انجام آن باشد.»

الکترولیت‌ها، راز بهبود عملکرد

در ادامه، تیم تحقیقاتی با بررسی انواع مختلف الکترولیت‌ها و غلظت‌های آن‌ها، تاثیرشان را بر تراکم انرژی را ارزیابی کرد.
دمین استفانیوک (Damian Stefaniuk)، پژوهشگر مرکز EC³ Hub توضیح می‌دهد: «ما دریافتیم که طیف گسترده‌ای از الکترولیت‌ها می‌توانند برای ec³ مناسب باشند، حتی آب دریا. این یعنی می‌توان از این نوع بتن در محیط‌های ساحلی و دریایی نیز استفاده کرد؛ مثلا در پایه‌های مزارع بادی فراساحلی.»

در فرآیند تولید جدید، الکترولیت‌ها مستقیما در آب اختلاط بتن اضافه می‌شوند، نه پس از عمل‌آوری. این تغییر ساده اما موثر، موجب می‌گردد الکترولیت‌ها به‌طور یکنواخت درون بتن پخش شده و محدودیت نفوذ از بین برود. در نتیجه، پژوهشگران می‌توانند الکترودهای ضخیم‌تری بسازند تا انرژی بیشتری ذخیره کنند.

از مواد آلی تا کاربردهای واقعی

بهترین عملکرد، زمانی حاصل شد که تیم MIT از الکترولیت‌های آلی استفاده کرد: ترکیباتی بر پایه نمک‌های آمونیوم چهارتایی (quaternary ammonium salts) که در بسیاری از محصولات روزمره مانند مواد ضدعفونی‌کننده وجود دارند، در کنار استونیتریل (acetonitrile)، مایعی شفاف و رسانا که در صنایع مختلف کاربرد دارد.

یک مترمکعب از این نسخه‌ بهینه‌شده بتن ec³ (تقریبا به اندازه‌ یک یخچال خانگی) قادر است بیش از ۲ کیلووات‌ساعت انرژی ذخیره کند؛ مقداری معادل برق مصرفی یک یخچال واقعی در طول یک روز.

هرچند باتری‌ها چگالی انرژی بالاتری دارند، اما ec³ مزیتی منحصربه‌فرد دارد: این ماده می‌تواند مستقیما در اجزای معماری مانند دیوارها، کف‌ها، طاق‌ها و گنبدها به کار رود و عمری برابر با سازه داشته باشد.

الهام از رومی‌ها تا انقلاب جدید در معماری

ماسیک در ادامه با اشاره به تاریخ توضیح داد: «رومیان باستان در فناوری بتن پیشگام بودند. سازه‌هایی مانند پانتئون هنوز هم پس از قرن‌ها بدون فولاد پابرجا هستند. اگر ما نیز علم مواد را با دید معماری ترکیب کنیم، می‌توانیم به آستانه‌ی انقلابی تازه در معماری با بتن‌های چندمنظوره مانند ec³ برسیم.»

تیم MIT برای نمایش قابلیت‌های این فناوری، طاق کوچکی از بتن ec³ ساخت که همزمان توانست بار خود و وزن اضافی را تحمل کرده و یک چراغ LED با ولتاژ ۹ ولت را روشن نگه دارد. نکته جالب این بود که با افزایش بار، نور LED شروع به چشمک زدن کرد. پژوهشگران احتمال می‌دهند که این پدیده ناشی از تاثیر فشار بر تماس‌های الکتریکی درون بتن باشد؛ در واقع، این بتن می‌تواند تغییرات تنش و سلامت سازه را به‌صورت بلادرنگ نشان دهد.

کاربردهای واقعی و افق آینده

توسعه بتن ec³ اکنون از مرحله آزمایشگاهی فراتر رفته است. این ماده پیش‌تر در شهر ساپورو ژاپن برای گرم‌کردن سطح پیاده‌روها به‌کار گرفته شده، زیرا هدایت حرارتی بالایی دارد و می‌تواند جایگزینی برای روش‌های نمک‌پاشی زمستانی باشد.

استفانیوک می‌گوید: «اکنون که توانسته‌ایم چگالی انرژی را افزایش و دامنه کاربرد را گسترش دهیم، ec³ می‌تواند ابزار قدرتمند و انعطاف‌پذیری برای حل چالش‌های جهانی انرژی باشد. انرژی خورشیدی تنها در حضور نور کار می‌کند، اما با بتن ذخیره‌گر انرژی، می‌توان برق را برای شب‌ها یا روزهای ابری ذخیره کرد.»

فرانتس ــ یوزف اولم (Franz-Josef Ulm)، استاد مهندسی عمران MIT و از پژوهشگران تحقیق می‌افزاید: «باید انرژی را ذخیره و سپس آزاد کنیم. تاکنون این نقش بر عهده باتری‌هایی بوده که متکی بر مواد کمیاب و گاه مضر هستند. اما ec³ می‌تواند جایگزینی پایدار باشد که اجازه دهد ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها، نیازهای انرژی خود را برآورده سازند.»

تیم MIT هم‌اکنون در حال بررسی کاربردهای گسترده‌تر است مثلا پارکینگ‌ها و جاده‌هایی که بتوانند خودروهای برقی را شارژ کنند یا خانه‌هایی که کاملا مستقل از شبکه برق فعالیت کنند.

جمع‌بندی: بتن، از مصالح سازه‌ای تا منبع انرژی

جیمز ویور (James Weaver)، استاد مهندسی مواد در دانشگاه کرنل و از همکاران این پروژه، درباره چشم‌انداز این دستاورد می‌گوید: «آنچه بیش از همه هیجان‌انگیز است، اینست که ما ماده‌ای به قدمت تمدن را به مرحله‌ای رسانده‌ایم که بتواند کاری کاملا نو انجام دهد. با ترکیب علم نانو و یکی از قدیمی‌ترین مصالح جهان، دریچه‌ای به سوی زیرساخت‌هایی گشوده‌ایم که نه‌تنها زندگی ما را پشتیبانی می‌کنند، بلکه به آن نیرو می‌بخشند.»

موضوع مرتبط:

معجزه‌ای به نام بتن میکروبی برای تولید برق