Altro che litio, il futuro dello stoccaggio di energia è nelle fondamenta delle case

Cemento e nerofumo potrebbero costituire la base per un nuovo sistema di accumulo dell'energia a basso costo. Lo dice uno studio del MIT (pubblicato su PNAS), secondo cui i due materiali possono essere combinati con acqua per creare un supercondensatore in grado di immagazzinare l'energia ottenuta da fonti rinnovabili.

Un aspetto interessante è che, sempre secondo i ricercatori, il supercondensatore potrebbe essere integrato nelle fondamenta di una casa, dove potrebbe stoccare l'energia, garantendo la resistenza strutturale dell'edificio senza aumentare notevolmente i costi di costruzione dell'immobile. Tra le possibili applicazioni anche la realizzazione di una strada in calcestruzzo in grado di trasferire energia senza fili alle auto elettriche che vi passano sopra.

Lo studio è stato pubblicato dai professori del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, insieme ad altri colleghi.

I supercondensatori, condensatori in grado di stoccare cariche eccezionalmente grandi, non funzionano in modo diverso dai condensatori tradizionali, perciò la quantità di energia che un condensatore può immagazzinare è legata alla superficiale totale delle sue armature.

La chiave dei supercondensatori sviluppati dal team del MIT è correlata a un metodo di produzione di un materiale a base di cemento con una superficie interna estremamente elevata, la quale si deve a una densa rete interconnessa di materiale conduttivo all'interno del suo volume. Detta così può sembra complicata, ma proviamo a spiegarci meglio.

Per ottenere il risultato i ricercatori hanno introdotto il nerofumo, altamente conduttivo, in una miscela insieme a polvere di cemento e acqua e lasciando indurire il tutto. L'acqua forma naturalmente ramificazioni all'interno della struttura mentre reagisce con il cemento, con il nerofumo migra in tali spazi creando strutture simili a fili all'interno del cemento indurito.

Quelle strutture ricordano un frattale, con rami più grandi da cui spuntano rami più piccoli e così via, finendo per ottenere una superficie estremamente ampia di diramazioni all'interno dei confini di un volume relativamente piccolo. Il materiale viene quindi immerso in un materiale elettrolitico standard, come il cloruro di potassio, una specie di sale, che fornisce le particelle cariche che si accumulano sulle strutture di carbonio.

I ricercatori hanno scoperto che due elettrodi realizzati con questo materiale, separati da uno spazio sottile o da uno strato isolante, formano un supercondensatore molto potente.

Le due armature del condensatore funzionano come i poli di una batteria ricaricabile di tensione equivalente: quando sono collegate a una fonte di elettricità, l'energia viene immagazzinata nelle armature, mentre quando sono collegate a un carico la corrente elettrica rifluisce per fornire energia.

"Il materiale è affascinante", afferma il professor Masic, "perché hai il materiale artificiale più utilizzato al mondo, il cemento, che è combinato con il nerofumo, che è un materiale storico - è stato usato per scrivere i Rotoli del Mar Morto. Hai questi materiali vecchi di almeno due millenni che quando li combini in un modo specifico ottieni un nanocomposito conduttivo, ed è allora che le cose si fanno davvero interessanti".

"Man mano che la miscela si indurisce l'acqua viene sistematicamente consumata tramite le reazioni di idratazione del cemento, e questa idratazione influisce fondamentalmente sulle nanoparticelle di carbonio perché sono idrofobiche (idrorepellenti). Man mano che la miscela si evolve, il nerofumo si autoassembla in un filo conduttivo connesso".

Il processo è facilmente riproducibile, e si basa su materiali poco costosi e facilmente reperibili in qualsiasi parte del mondo. E la quantità di nero di carbonio necessaria è molto piccola - appena il 3% del mix in volume.

Il team ha calcolato che un blocco di cemento con dimensioni di 45 metri cubi – equivalenti a un cubo di circa 3,5 metri di diametro - avrebbe una capacità sufficiente per immagazzinare circa 10 chilowattora di energia, il consumo medio giornaliero di elettricità di una famiglia.

Al momento il processo è stato dimostrato realizzando piccoli supercondensatori delle dimensioni di alcune batterie a bottone, circa 1 centimetro di diametro e 1 millimetro di spessore e caricati a 1 volt. A tre di questi hanno collegato un LED da 3 volt, provando così il principio di funzionamento.

Ora i ricercatori progettano versioni più grandi, a partire da quelle delle dimensioni di una tipica batteria per auto da 12 volt, fino a una versione da 45 metri cubi per dimostrare la sua capacità di immagazzinare energia utile a una casa.

Durante i test i ricercatori hanno scoperto che c'è un compromesso tra la capacità di stoccaggio del materiale e la sua resistenza strutturale. Aggiungendo più nerofumo, il supercondensatore può immagazzinare più energia, ma il calcestruzzo ne esce indebolito, il che significa che a seconda del rapporto questo supercondensatore può trovare differenti applicazioni.