Cimento com carbono transforma casas e estradas em baterias quase ilimitadas

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 01/08/2023

Bateria de concreto

Se voc tiver uma conta bancria polpuda pode comprar um grande conjunto de baterias de ltio e guardar uma parte da energia produzida pelos seus painis solares, para poder consumi-la noite.

Mas, e se for possvel transformar sua casa inteira em uma gigantesca bateria, e sem gastar quase nada?

Esta a proposta de Nicolas Chanut e colegas do MIT, nos EUA, que demonstraram que dois dos materiais mais comuns em uso pela humanidade – cimento e negro de fumo, uma espcie de carvo muito fino – podem formar a base para um novo sistema de armazenamento de energia de baixo custo.

A ideia pertence ao conceito de armazenar a eletricidade produzida por fontes de energia renovveis tipicamente intermitentes, como energia solar, elica e das mars, permitindo que as redes de energia permaneam estveis, apesar das flutuaes na gerao.

Os dois materiais podem ser combinados com gua para fazer um supercapacitor, uma tecnologia de armazenamento de energia eltrica alternativa s baterias.

A equipe garante que o supercapacitor poderia ser incorporado fundao de concreto de uma casa, onde poderia armazenar energia para um dia inteiro, acrescentando pouco (ou nenhum) custo construo e ainda fornecendo a fora estrutural necessria. Os pesquisadores tambm imaginam uma estrada de concreto, que poderia fornecer recarga sem contato para carros eltricos enquanto eles trafegam por essa estrada.

Supercapacitor de cimento, carbono e gua

O princpio de funcionamento dos capacitores muito simples: Eles so constitudos por duas placas eletricamente condutoras imersas em um eletrlito e separadas por uma membrana. Quando uma voltagem aplicada atravs dos dois polos, ons carregados positivamente do eletrlito se acumulam na placa carregada negativamente, enquanto a placa carregada positivamente acumula ons carregados negativamente.

Como a membrana entre as placas impede que os ons carregados migrem, essa separao de cargas cria um campo eltrico entre as placas e o capacitor fica carregado – a quantidade de energia que um capacitor pode armazenar depende da rea total da superfcie de suas placas condutoras. E as duas placas podem manter essa carga por um longo tempo, liberando-a muito rapidamente quando necessrio. Supercapacitores so simplesmente capacitores que podem armazenar cargas excepcionalmente grandes.

A chave para os novos supercapacitores foi o desenvolvimento de um mtodo de produo de um material base de cimento com uma rea de superfcie interna extremamente alta, graas a uma rede densa e interconectada gerado por um material condutor inserido em seu interior. Os pesquisadores conseguiram isso introduzindo negro de fumo – que altamente condutor – em uma mistura de cimento e gua e deixando-a curar.

A gua forma naturalmente uma rede ramificada de aberturas dentro da estrutura medida que reage com o cimento, e o carbono migra para esses espaos, criando estruturas semelhantes a finos dutos dentro do cimento endurecido, s que em uma arquitetura muito intrincada, semelhante a um fractal, com galhos maiores brotando de galhos menores, e aqueles brotando de galhos ainda menores, e assim por diante. E a quantidade de carbono necessria muito pequena, apenas 3% em volume da mistura – mais do que isso e o concreto comea a perder resistncia.

O material ento embebido em um material eletroltico padro, como o cloreto de potssio, uma espcie de sal, que fornece as partculas carregadas que se acumulam nas estruturas de carbono. Dois eletrodos feitos desse material, separados por um espao fino ou uma camada isolante, do o acabamento final, formando um supercapacitor muito potente.

As duas placas do capacitor funcionam exatamente como os dois plos de uma bateria recarregvel: Quando conectados a uma fonte de eletricidade – funcionando como um carregador – a energia armazenada nas placas; e, quando conectados a uma carga, a corrente eltrica flui para fornecer energia.

“O material fascinante porque voc tem o material sinttico mais usado no mundo, o cimento, que combinado com negro de fumo, que um material histrico bem conhecido – os Manuscritos do Mar Morto foram escritos com ele. Voc tem esses materiais de pelo menos dois milnios de idade que, quando combinados de uma maneira especfica, resultam em um nanocompsito condutor, e a que as coisas ficam realmente interessantes,” disse o professor Admir Masic.

De baterias-boto a baterias-casa

A equipe calculou que um bloco de concreto dopado com nanocarbono com 45 metros cbicos – equivalente a um cubo de cerca de 3,5 metros de lado – teria capacidade suficiente para armazenar cerca de 10 quilowatts-hora de energia, que o consumo mdio dirio de eletricidade de uma residncia.

Como o concreto no perde resistncia ao funcionar como supercapacitor, uma casa com uma fundao feita desse material poderia armazenar um dia de eletricidade produzida por painis solares ou moinhos de vento, permitindo que ela fosse usada sempre que necessrio.

Mas tudo ainda est em estgio inicial.

Depois de uma srie de testes para determinar as propores mais eficazes de cimento, negro de fumo e gua, a equipe demonstrou seu supercapacitor na forma de prottipos do tamanho de baterias tipo boto, com cerca de 1 centmetro de dimetro e 1 milmetro de espessura – eles acumularam at 1 volt, o que comparvel a uma bateria comum desse formato. Os pesquisadores ento conectaram trs desses supercapacitores tipo boto, que alimentaram um LED de 3 volts.

Tendo provado o conceito, a equipe agora planeja construir uma srie de verses maiores, comeando com o tamanho de uma bateria de carro de 12 volts, depois trabalhando at uma verso de 45 metros cbicos para demonstrar sua capacidade de armazenar o equivalente a “uma casa de energia”.

Outra aplicao potencial para os supercapacitores de cimento e carbono a construo de estradas de concreto, que armazenem eletricidade produzida por painis solares ou turbinas elicas ao longo da estrada e, em seguida, forneam essa energia para veculos eltricos usando o mesmo tipo de tecnologia de recarregamento sem fios. Sistemas de recarga de carros desse tipo j esto sendo desenvolvidos por empresas na Alemanha e nos Pases Baixos, mas usando baterias comuns para armazenamento.

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