Al incorporar negro de carbón a la mezcla tradicional del material, el equipo de la prestigiosa casa de estudio descubrió que es posible fabricar un nuevo sistema de almacenamiento de energía eléctrica, el que podría ser clave para impulsar el uso de energías renovables como la solar o eólica.
En los últimos años, investigaciones recientes buscan convertir al hormigón en un material cuyo uso se expanda al de la construcción y se instale dentro de aquellos que permitirían almacenar o generar energías renovables no convencionales.
Desde proyectos como Energy Vault, que utilizan la energía cinética del movimiento de grandes bloques de hormigón, a investigaciones que buscan transformar al hormigón en verdaderas “baterías renovables”, todos estos desarrollos apuntan a lo mismo: que el material, además de uso cotidiano, tenga propiedades “energéticas” que apunten hacia una construcción sostenible, con viviendas capaces de tener fuentes de energía -como las eólicas o solares- y tener un medio para almacenarlas en caso de ausencia de estas, como poco viento o días nublados.
En ese sentido, los académicos del Massachussets Institute of Technology (MIT) Franz-Josef Ulm, Admir Masic, y Yang-Shao Horn, junto a otros cuatro integrantes del MIT y del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, presentaron un paper en el que, aseguran, es posible transformar un elemento de hormigón en un supercondensador tan sólo con dos elementos: cemento y negro de carbón, un elemento de similares características al polvillo de carbón.
De acuerdo con su investigación, los académicos creen que esta nueva tecnología podría facilitar e impulsar el uso de energías como la solar o eólica, ya que permitirían contar con una fuente estable y de bajo costo, que no dependa de las fluctuaciones que afectan a este tipo de energía renovables no convencionales.
Qué hace un supercondensador y por qué el cemento es útil en su fabricación
¿Qué es un condensador? En el fondo, es un aparato sencillo que puede almacenar energía en forma de campo eléctrico, que se forma con dos placas conductoras inmersas en un electrolito y separadas por una membrana, la que sirve para generar este campo. Los condensadores pueden almacenar energía y liberarla de manera rápida cuando se necesite y, en ese sentido, los supercondensadores operan bajo este mismo principio, con la diferencia que pueden almacenar cantidades extraordinariamente altas.
En ese sentido, el poder de un condensador depende de la superficie total de sus placas conductoras. Aquí es donde la investigación de los académicos del MIT hace su ingreso. La clave, de acuerdo con el desarrollo, está en un método para producir un material a base de cemento que posea una superficie interna extremadamente alta debido a una red densa e interconectada de material conductivo dentro de su volumen total.
¿Cómo lograron esto? Los investigadores introdujeron negro de carbón a la mezcla del hormigón, elemento que es altamente conductivo, además del polvo de cemento y el agua, dejándolo que cure. El agua forma de manera natura una red ramificada de aperturas dentro de la estructura mientras reacciona con el cemento y el carbón se “traslada” hacia esos espacios para crear estructuras como cables dentro del cemento endurecido. Estas estructuras, que poseen formas fractales, van formando ramificaciones y alcanzan a abarcar todos los confines de un volumen relativamente pequeño.
Luego, el elemento se empapa con un material electrolítico estándar -para la investigación, se utilizó cloruro de potasio- que aporta las partículas con carga que se acumulan en las estructuras de carbón. Al fabricar dos electrodos con este material, los académicos se encontraron con un asombroso descubrimiento: un supercondensador de gran poder.
Un “nuevo” tipo de hormigón que conduce y almacena energía
“El material es fascinante”, dijo el profesor Admir Masic en el comunicado de prensa del estudio. “Esto, porque se tiene el material fabricado por el hombre más utilizado en el mundo, el cemento, que se combina con negro de carbón, que también es un material histórico muy conocido. Tienes estos materiales, que tienen unos dos mil años de antigüedad que, combinados de manera específica, producen un nanocompuesto conductivo y es aquí donde todo se pone interesante”.
El académico explicó que, durante el proceso de curado, el agua reacciona con las nanopartículas de negro de carbón y “se autoensambla en un cable conductor conectado”, comentó y agregó que el proceso es de fácilmente reproducible, con materiales de bajo costo y que se encuentran fácilmente disponibles alrededor del mundo. Además, la cantidad de carbón necesaria es muy pequeña -tanto como un 3% por volumen de la mezcla- para lograr una red de carbón filtrada.
En el estudio, los supercondensadores fabricados con este material mostraron gran potencial para ayudar a la transición hacia energías renovables, como la solar o eólica, cuya principal desventaja es el costo de su almacenamiento. “Existe una gran necesidad en ese sentido”, comentó el profesor Ulm. Esto porque, además de su costo, gran parte de estas baterías es de litio, cuyo suministro es limitado, por lo que se requieren alternativas más eficientes. “Aquí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento se encuentra en todas partes”, dijo.
¿Cuánto material se debe utilizar para este supercondensador?
Según cálculos de los investigadores, un bloque de este hormigón con nanopartículas de negro de carbón de 45 m3 -que equivale a un cubo de 3,5 metros de ancho- tendría la capacidad suficiente para almacenar cerca de 10 kilowatt/horas de energía, que es aproximadamente el promedio de consumo eléctrico diario de una casa. Por ejemplo, las fundaciones fabricadas con este material podrían almacenar la energía generada por paneles solares o torres eólicas de todo un día.
Luego de una serie ensayos para determinar las ratios de cemento, negro de carbón y agua más eficientes, los investigadores demostraron el proceso fabricando supercondensadores de tamaño pequeño, como de pilas para relojes, de aproximadamente 1 centímetro de ancho y 1mm de espesor, los que podían cargarse hasta 1 voltio, comparable a una batería de 1 voltio. Luego, conectaron tres de estos para demostrar su habilidad para encender un diodo emisor de luz de 3 voltios.
Habiendo testeado el principio, ahora planean fabricar una serie de versiones más grandes, partiendo con unos supercondensadores del tamaño de una batería de automóvil de 12 voltios y luego, trabajar en una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad de almacenar energía para toda una casa.
Las futuras aplicaciones de las “baterías” de hormigón
Los investigadores probaron que, a mayor cantidad añadida de negro de carbón, el supercondensador puede almacenar más energía, pero el hormigón que se produce es ligeramente menos resistente, lo que podría ser útil en aplicaciones no estructurales. Para otras, como fundaciones para torres eólicas, el valor ideal es de 10% de negro de carbón en la mezcla, puntualizaron.
Si bien otras aplicaciones podrían incluir carreteras que permitan a los automóviles eléctricos cargar sus baterías mientras transitan por estas vías, las primeras aplicaciones prácticas podrían ser para casas aisladas, edificios o refugios que estén alejados de la red eléctrica, que podrían alimentarse con paneles solares conectados a estos supercondensadores de cemento.
Finalmente, el profesor Ulm comentó que ve este nuevo desarrollo como “una nueva forma de mirar hacia el futuro del hormigón como parte de la transición energética”.
