Utilizando un subproducto industrial en la matriz cementosa del hormigón, un equipo del MIT logró transformar al material en un supercondensador de energía sin afectar sus propiedades mecánicas, el que podría utilizarse para infraestructura que, al mismo tiempo, sea sostenible energéticamente. En este artículo, se examinan las características y potenciales aplicaciones de esta tecnología, explorando sus implicaciones tanto para la sostenibilidad como para la innovación en el diseño de las ciudades.
En un mundo que busca respuestas sostenibles para enfrentar la creciente demanda de energía y la necesidad de infraestructuras resilientes, una innovadora tecnología está emergiendo desde los laboratorios del MIT.
La tecnología EC3 (denominación para el Electron-Conducting Carbon Concrete u Hormigón de Carbono Conductor de Electricidad), que integra la conductividad eléctrica en el hormigón, propone transformar un material tradicional en una solución multifuncional capaz de soportar cargas estructurales y, al mismo tiempo, almacenar energía.
Esta novedosa propuesta combina el uso de materiales básicos y abundantes a nivel global, tales como el negro de carbón, el cemento y los agregados, para crear estructuras que no solo construyen, sino que también “cargan” el entorno.
Damian Stefaniuk, James C. Weaver, Admir Masic y Franz-Josef Ulm, investigadores del Concrete Sustainability Hub del MIT, lograron demostrar que este hormigón energizante mantiene una capacidad de carga y un rendimiento energético sólidos incluso después de miles de ciclos de carga y descarga, lo que podría implicar un cambio significativo en la forma en la que concebimos la construcción en edificios, carreteras e infraestructuras energéticas.
Un material que, al mismo tiempo, permite construir ciudades y energizarlas
La creciente demanda de energías renovables ha impulsado la búsqueda de soluciones que permitan almacenar y distribuir electricidad de manera eficiente y sostenible. Tradicionalmente, las baterías convencionales y los supercondensadores han sido las tecnologías principales utilizadas para mitigar la intermitencia inherente a fuentes como la energía solar y eólica.
Sin embargo, ambos sistemas presentan desafíos notables en términos de impacto ambiental, economía de escala y durabilidad. La extracción de minerales como el litio, cobalto y níquel genera debates sobre la sostenibilidad y los efectos adversos sobre ecosistemas y comunidades. Este hecho impulsa la exploración de alternativas que integren la construcción de infraestructuras con funciones energéticas.
El desarrollo de materiales de construcción que no sólo posean propiedades estructurales robustas, sino que también sean capaces de almacenar energía, representa un avance significativo en el campo de la ingeniería. Al fusionar estas dos áreas, se busca optimizar espacios y reducir la dependencia de sistemas de almacenamiento externos, disminuyendo así las pérdidas energéticas asociadas a la transmisión y distribución. La tecnología basada en la incorporación de redes de carbono en la matriz del hormigón surge en este contexto, ofreciendo una solución que combina efectividad, durabilidad y escalabilidad.
A lo largo de las últimas décadas, las investigaciones se centraron en la integración de componentes conductores dentro de materiales tradicionalmente aislantes. Este esfuerzo por crear “materiales multifuncionales” se consolidó gracias a avances en la nanociencia y la ingeniería de materiales, permitiendo que el hormigón, elemento básico de la construcción, evolucione hacia una plataforma de almacenamiento eléctrico. Con métodos experimentales, se comprobó que la incorporación de nanomateriales, en particular el negro de carbón, puede transformar las propiedades eléctricas del hormigón sin comprometer su resistencia mecánica.
El entendimiento de estos mecanismos resulta fundamental para el diseño de proyectos que buscan no solo mejorar la eficiencia energética, sino también maximizar el uso de recursos existentes. La evolución de estos materiales innovadores promete un futuro en el que las estructuras se conviertan, además, en componentes activos de la gestión y distribución de energía, abriendo nuevas perspectivas para la integración de tecnologías renovables en el tejido urbano.
Este campo emergente no solo redefine la forma en la que se manejan los recursos energéticos, sino que también promueve un enfoque integral en la construcción, fomentando la creación de entornos urbanos más inteligentes y resilientes, aportando así sinergias en cada proyecto.
El desarrollo de la tecnología EC3: detalles y avances
La tecnología EC3 representa una revolución en la forma de concebir el hormigón. Mediante la incorporación de negro de carbón hidrofóbico, cemento, agregados y agua, se logró desarrollar un material que combina la capacidad de sostener cargas estructurales con la habilidad de almacenar energía.
Este innovador compuesto se fundamenta en la creación de una red conductora dentro de la matriz cementosa, lo que permite almacenar energía eléctrica mediante procesos de separación electrostática de cargas, similar a los mecanismos empleados en supercondensadores avanzados. La investigación demostró que, aún tras miles de ciclos de carga y descarga, el material mantiene una capacitancia estable, lo que reafirma su potencial tanto en términos mecánicos como eléctricos.
Los procedimientos experimentales desarrollados en el MIT permitieron afinar la composición de EC3, identificando una concentración crítica de negro de carbón en torno al 6-7% de la masa del cemento. Superar este umbral conduce a un incremento casi lineal de la capacitancia, es decir, la relación entre la carga eléctrica de cada conductor y la diferencia de potencial (tensión) entre ellos, lo que subraya la importancia de controles precisos en el proceso de fabricación.
Además, se realizaron análisis electroquímicos, incluyendo voltametría cíclica y pruebas de carga-descarga, para evaluar el rendimiento energético y la estabilidad del material a lo largo del tiempo. Estos estudios evidencian que, siempre y cuando se mantenga la saturación del electrolito, el hormigón energizante conserva más del 95% de su capacidad después de más de 10.000 ciclos.
Entre las innovaciones más destacadas por el equipo de investigación del MIT se encuentra la posibilidad de fabricar supercondensadores de 12 voltios utilizando este tipo de hormigón, denominado como EC3. Estos dispositivos fueron capaces de alimentar pequeños aparatos electrónicos, como ventiladores y consolas de videojuegos, demostrando la viabilidad de la tecnología en aplicaciones prácticas.
Estos avances permitieron reducir el tiempo de descarga del dispositivo, prolongando la retención energética en comparación con prototipos anteriores. Esta mejora se traduce en un desempeño energético que mantiene la referencia del nivel de energía durante periodos significativamente mayores, lo que abre la puerta a aplicaciones en dispositivos de mayor consumo.
“Los desarrollos recientes mejoraron la resistencia del material a la fuga de energía, manteniendo su nivel de energía de referencia durante 6,5 veces más tiempo que los prototipos anteriores”, afirmaron los investigadores en el informe. Con una capacitancia actual de 304 vatios-hora por metro cúbico y 50 faradios, la tecnología EC3 presenta oportunidades considerables para su escalamiento masivo.
Otro aspecto relevante en el desarrollo de este tipo de hormigón (el denominado hormigón EC3) es la selección de electrolitos adecuados, los que determinan la ventana de operación en términos de voltaje. Al emplear soluciones acuosas, el voltaje se restringe aproximadamente a 1,23 voltios para evitar la electrólisis del agua.
Asimismo, mediante la configuración de electrodos monolíticos o apilados, es posible alcanzar las condiciones de voltaje requeridas para aplicaciones diversas. Esta versatilidad permite adaptar el sistema a distintos niveles de consumo energético, convirtiendo al EC3 en una opción viable para una amplia gama de implementaciones, desde proyectos residenciales hasta aplicaciones industriales de gran escala.
No obstante, varios factores clave afectan la viabilidad de esta tecnología, que actualmente se están explorando para mejorar la eficiencia del dispositivo. Uno es la cantidad mínima de negro de carbón nanohidrofóbico (nCB) requerida para la producción de materiales EC3. Hallazgos recientes revelan una concentración crítica para nCB de aproximadamente 6-7% (por masa de carbón frente a masa de cemento), más allá de la cual la capacitancia aumenta casi linealmente con el contenido de carbón.
Estabilidad a Largo Plazo
Los científicos también examinaron el impacto que tendría el envejecimiento del material en la capacitancia para muestras de 1 mes y 30 meses de edad. Lo que evidenció ese análisis reafirmó que este nuevo podría transformarse en una alternativa a considerar en la construcción de nueva infraestructura.
“Estos resultados demuestran que la capacitancia de las celdas EC3 permanece en gran medida inafectada por el envejecimiento, lo que sugiere que la textura de la red nCB es estable mucho después de la fase de hidratación inicial (28 días)”, explicó el equipo de investigadores del MIT.
Estos hallazgos implican que la hidratación continua no altera significativamente la capacidad de almacenamiento de energía de los compuestos de cemento-carbono, confirmando la estabilidad de la red nCB a lo largo del tiempo. Un análisis electroquímico detallado demostró que más del 95% de la capacitancia permanece después de más de 10,000 ciclos de carga-descarga, siempre que se mantenga la saturación del electrolito.
Aplicaciones prácticas y potenciales en infraestructuras modernas
Este nuevo desarrollo abre interesantes horizontes en el ámbito de la construcción moderna, ofreciendo aplicaciones que van desde edificios residenciales hasta infraestructuras de transporte. En entornos urbanos, por ejemplo, la integración de hormigón energizante permitiría la edificación de estructuras que actúan como reservas de energía, reduciendo la dependencia de redes de suministro eléctrico tradicionales. Esta dualidad funcional se traduce en sistemas capaces de operar de forma autónoma, aprovechando fuentes intermitentes de energía renovable y almacenándola para su uso posterior.
En el sector residencial, por ejemplo, la utilización de EC3 podría cambiar la forma en la que se conciben los hogares. Los investigadores estiman que aproximadamente 33 metros cúbicos de EC3 podrían suministrar la demanda energética diaria promedio de una casa residencial (aproximadamente 10 kilovatios-hora).
En un comienzo, la estimación inicial para esta cifra era de 45 metros cúbicos, pero los avances tecnológicos redujeron este volumen requerido en más del 30%, de acuerdo con el equipo del MIT. Esto no sólo supone una eficiencia en el uso del espacio, sino que también reduce la necesidad de instalaciones adicionales para almacenar energía, haciendo que las viviendas sean más autosuficientes y sostenibles energéticamente.
Otra de las aplicaciones posibles para este material que despertó interés, dice relación con la infraestructura en transporte. El EC3 podría ser un posible componente en la construcción de carreteras y puentes capaces de recargarse de forma continua. La idea de carreteras auto recargables, en las que el hormigón no sólo soporta el tránsito de vehículos, sino que también acumula energía para usos futuros, genera expectativas en relación con la electromovilidad y la reducción de la dependencia de estaciones de carga convencionales.
Los usos de la tecnología EC3 no se limitan únicamente a la generación y almacenamiento de energía, sino que también ofrecen ventajas en términos de diseño y construcción. La posibilidad de incorporar estas propiedades en elementos estructurales permitiría crear edificios que, además de ser resistentes, podrían contribuir activamente a la estabilidad de la red eléctrica.
“Estas capacidades, por ejemplo, permitirían la creación de refugios energéticamente autónomos, reduciendo la dependencia de fuentes de energía externas”, destacó el equipo de investigadores en su estudio. “Al integrar capacidades de almacenamiento de energía directamente en los materiales de construcción, se minimizarían las pérdidas de energía típicamente asociadas con la transmisión y distribución”.
Este enfoque multipropósito representa un avance estratégico en la planificación urbana, ya que cada estructura puede funcionar tanto como soporte físico como unidad de energía, optimizando el uso de materiales y recursos disponibles.
Asimismo, también los autores del estudio destacaron que este hormigón -EC3- sería clave en el almacenamiento de energía intermitente de fuentes renovables como la eólica, solar y mareomotriz. Al integrar capacidades de almacenamiento de energía en los componentes estructurales de turbinas eólicas y centrales de energía mareomotriz, la tecnología EC3 podría ayudar a estabilizar y mejorar la confiabilidad de la red energética.
Así, la implementación exitosa de EC3 en proyectos reales podría significar un cambio paradigmático en la industria de la construcción. Este nuevo material no sólo reforzaría las estructuras existentes, sino que también abriría la posibilidad de rediseñar completamente el enfoque de urbanismo y movilidad, integrando la energía directamente en el tejido de la ciudad, creando infraestructura energéticamente autosustentable y conectada.
¿Cómo funciona el supercondensador de Cemento-Carbono?
La energía eléctrica puede almacenarse de varias maneras, incluidas las tecnologías de baterías y supercondensadores. ¿Qué es un supercondensador? Se trata de un dispositivo de almacenamiento de energía que almacena energía a través de la separación electrostática de cargas, a diferencia de las baterías que almacenan energía a través de reacciones químicas.
“Esta diferencia fundamental permite que los supercondensadores se carguen y descarguen mucho más rápido que las baterías, pero generalmente almacenan menos energía en un volumen equivalente”, explicaron los investigadores en el estudio. Un supercondensador típico consiste en electrodos separados por un aislante, todos empapados en un electrolito.
En su enfoque, los científicos del MIT demostraron, a través de espectroscopía correlativa EDS-Raman, que la incorporación de una fase de carbono hidrofóbica en cemento hidrófilo produce una red de carbono conductora de electrones de alta superficie específica dentro de la matriz porosa del cemento.
“Sin embargo, es importante tener en cuenta que la conductividad de electrones, aunque importante, no es suficiente por sí misma para desarrollar capacidades de almacenamiento de energía”, puntualizaron. “Los supercondensadores también requieren porosidad interna para la difusión de iones, lo que está asegurado por la porosidad de hidratación interconectada en la matriz cementosa”.
En los supercondensadores fabricados para esta investigación, se utilizaron varios electrolitos, como una solución de cloruro de potasio (KCl), para facilitar este proceso. De esta manera, se logró demostrar la posibilidad de agregar tales electrolitos durante la etapa de mezcla o empapar los electrodos después del moldeo.
Es importante subrayar que la química del electrolito determina críticamente la ventana operativa de potencial máximo de un supercondensador. Como se mencionó anteriormente, un electrolito acuoso limita la ventana de voltaje a 1,23 voltios, para evitar la electrólisis del agua. Para abordar esta limitación, en sus dispositivos utilizan electrodos que pueden ser monolíticos o apilados en paralelo o en serie para lograr el voltaje y la corriente deseados.
“Como resultado, la tecnología EC3 puede incorporarse fácilmente en elementos estructurales de diversas formas, como columnas, paredes o plataformas, que pueden soportar cargas, mientras proporcionan la funcionalidad de almacenamiento de energía deseada”, explicaron.
Implicaciones para la sostenibilidad y la planificación urbana
De acuerdo con el estudio del equipo del MIT, la integración de este hormigón energizante en el entorno constructivo traería consigo importantes ventajas en términos de sostenibilidad. Al reducir la dependencia de sistemas de almacenamiento de energía externos, se disminuirían las pérdidas inherentes a la distribución eléctrica y se aprovecharía de manera óptima el espacio urbano.
Por ejemplo, los edificios podrían transformarse en nodos de una red distribuida que suministre energía en momentos de alta demanda, permitiendo una mayor resiliencia frente a interrupciones en el suministro. Así, esta tecnología contribuiría a la eficiencia energética de edificaciones e infraestructuras, generando un impacto positivo en la huella de carbono a nivel global.
Además, los investigadores destacan en su estudio que, al brindar un uso para el negro de carbón como subproducto o residuo industrial y al permitir un uso más eficiente de las energías renovables, la tecnología EC3 podría contribuir significativamente a los esfuerzos de mitigación de los efectos del cambio climático.
Los beneficios ambientales se potencian al considerar que la actualización de infraestructuras existentes con EC3 puede extender la vida útil de edificios y mejorar la resiliencia del sistema urbano. Como se comentó anteriormente, las propiedades de capacitancia de este material se mantienen en el tiempo, lo que implicaría un importante cambio al momento de diseñar un proyecto, considerando aspectos como durabilidad y gestión energética dentro de los criterios.
En definitiva, la adopción de este hormigón energizante podría representar una oportunidad única para transformar el paisaje urbano en un entorno más sostenible, resiliente e integrado. Con el compromiso de diversos actores, este avance podría convertirse en un estándar de la construcción del siglo XXI, impulsando un futuro dinámico y respetuoso con el medio ambiente.
Desafíos y perspectivas futuras en el desarrollo de EC3
Pese a los avances en la tecnología EC3 que se evidenciaron en el estudio, aún persisten desafíos técnicos y logísticos que requieren una atención continua. La optimización de la mezcla, la gestión de la humedad y el control preciso de la concentración de negro de carbón son aspectos críticos para garantizar un rendimiento constante y fiable.
En ese sentido, los investigadores aseguraron que los ensayos a largo plazo deben continuar para validar la durabilidad del material en condiciones reales de uso, especialmente en climas extremos y en entornos urbanos con alta contaminación.
Otra línea de investigación se centra en la mejora de la integración de EC3 con tecnologías como la impresión 3D y la inteligencia artificial en el control de calidad. “Por ejemplo, los elementos de construcción impresos en 3D incrustados con materiales EC3 podrían utilizarse para crear hogares o espacios comerciales personalizados y energéticamente eficientes”, puntualizaron los investigadores en el estudio.
La posibilidad de fabricar elementos a medida y con diseños complejos abre nuevas oportunidades, pero también impone la necesidad de desarrollar normativas y estándares de fabricación que aseguren la uniformidad del producto final. Asimismo, el establecimiento de protocolos de seguridad y métodos de análisis permitirán anticipar y corregir posibles fallos en el desempeño del material a lo largo del tiempo.
La investigación futura deberá abordar la escalabilidad del proceso de producción, considerando tanto la disponibilidad de materias primas como la eficiencia energética del proceso constructivo. En ese sentido, los investigadores realizaron una serie de ensayos electroquímicos con el fin de demostrar la posibilidad de escalar el uso y las propiedades de este material a proyectos de gran envergadura.
“Por ejemplo, se realizaron pruebas de voltametría cíclica convencionales a diferentes velocidades de escaneo para probar numerosas muestras con tamaños variados, concentraciones de partículas nCB, relaciones agua-cemento y tipos de nCB con diferentes áreas de superficie específica”, detallan los investigadores.
Al combinar estas pruebas experimentales con modelos matemáticos, se logró demostrar que la capacitancia del cemento-carbono puede reducirse a una cantidad intensiva (capacitancia independiente de la tasa), cuya magnitud es independiente del tamaño del sistema. Este enfoque proporciona una medida para la capacidad de alta tasa como función de las dimensiones del electrodo y las propiedades de los constituyentes.
“Como se demuestra a partir de estos descubrimientos, nuestros materiales compuestos porosos de cemento-carbono representan una clara oportunidad para escalar estas propiedades de almacenamiento de energía desde la escala del electrodo hasta la escala estructural”, concluyeron los científicos.
El futuro del hormigón energizante
El hormigón energizante, conocido como EC3, representa un antes y un después dentro de la industria de la construcción. Este material multifuncional, desarrollado en el MIT, demuestra que es posible combinar la resistencia estructural con la capacidad de almacenar energía, transformando la forma en la que se conciben los edificios y otras infraestructuras.
La incorporación de negro de carbón en la mezcla es la principal innovación detrás de este nuevo tipo de material, lo que permite la creación de una red conductora a lo largo de la matriz cementosa sin afectar las propiedades mecánicas de esta.
Asimismo, los ensayos y análisis electroquímicos evidenciaron la estabilidad y durabilidad del material, manteniendo una capacitancia superior al 95% después de miles de ciclos de carga y descarga. Este rendimiento no sólo confirma la viabilidad de este nuevo tipo de hormigón, sino que también lo posiciona como una solución potencial para integrar energías renovables en entornos donde el espacio es limitado y la demanda energética es alta. La capacidad de reducir significativamente el volumen requerido para satisfacer las necesidades diarias de una vivienda refuerza su valor en aplicaciones residenciales.
Las posibilidades de usar esta tecnología en infraestructura para el transporte, como carreteras auto recargables, además de incorporarla en proyectos de impresión 3D para construir elementos personalizados, abren un abanico de oportunidades que van desde la eficiencia energética hasta la innovación en diseño urbano. La convergencia de la ingeniería tradicional con tecnologías como la IA, augura la instauración de nuevos estándares en la planificación y ejecución de proyectos constructivos.
En ese aspecto, el desarrollo y la aplicación de EC3 en futuros proyectos representan una transformación en la manera de abordar los retos energéticos y medioambientales. Con miras a un futuro donde las ciudades sean ecosistemas energéticos interconectados, este material se alza como una pieza clave en la búsqueda de soluciones sostenibles que integren funcionalidad y modernidad en cada rincón de la infraestructura global.
Referencias
[1] Chanut, N., Stefaniuk, D., Weaver, J.C., Zhu, Y., Shao-Horn, Y., Masic, A., Ulm, F.-J. (2023). Carbon-cement supercapacitors as a scalable bulk energy storage solution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120, e2304318120. (2009).
[2] Los renders en 3D de las figuras 1 y 3 se crearon con la ayuda de una IA generativa (OpenAI‘s DALL•E) y se editaron de forma manual para mayor claridad.
