Дата публикации: 24.08.2020
Представьте, что ваш дом – электростанция.
Кирпич используется на протяжении примерно пяти тысячелетий. Китай, Месопотамия, Египет, Древний Рим, домик Наф-Нафа… Из обожжённой глины возводились крепости, дворцы, храмы, акведуки, амфитеатры, дома, заводы, промышленные печи. От защиты до научного прогресса, эта технология (едва ли не самая доступная и простая) многое дала человеку, и до сих пор немногие наши сооружения обошлись без этого почти универсального строительного материала, всё ещё являющегося одним из самых прочных. Но при всём богатстве его истории и важности роли, мы крайне редко находили ему другое, не строительное применение.
Теперь же, согласно исследованию Вашингтонского университета в Сент-Луисе, красные кирпичи могут быть преобразованы в накопители энергии. Но только это не те, уже привычные нам, аккумуляторные батареи (хотя возможность заряжать их для хранения электричества здесь тоже присутствует), а, скорее конденсаторы. Точнее – суперконденсаторы.
Доказательство работоспособности концепции, опубликованное 11 августа в Nature Communications, показывает кирпич, напрямую питающий зелёный светодиод. На фотографии, предоставленной Лабораторией Д'Арси (Химический факультет Вашингтонского университета в Сент-Луисе), показан модуль суперконденсатора, загорающийся зелёным светодиодом. Это тандемное устройство 4×3×1 см состоит из трёх последовательно соединённых суперконденсаторов 4×1×1 см и структуры стержень – оболочка электрода.
Технологический процесс создания так называемых «умных кирпичей», способных накапливать и отдавать энергию (причём, накапливать до тех пор, пока она не понадобится!), уже разработан. Да, и старые изделия тоже можно модифицировать.
«Наш метод работает с обычным кирпичом или переработанным, и мы также можем делать кирпичи своими руками», – сказал Хулио Д'Арси, доцент химии. –«Фактически, работа, которую мы опубликовали в Nature Communications, основана на кирпичах, которые мы купили в Home Depot прямо здесь, в Брентвуде (штат Миссури); каждый кирпич стоил 65 центов».
Огромные территории, занимаемые каменными сооружениями (заборами, стенами и зданиями), могли бы использоваться эффективнее, будь у нас раньше эти цель и преимущество в виде дополнительной функции хранения электроэнергии в строительных материалах. Да, большинство архитекторов и дизайнеров используют теплопроводность (способность поглощать, сохранять и отдавать тепло) кирпича уже давно, но это первый случай, когда кто-то пытался использовать кирпич в качестве чего-то большего, чем тепловой барьер между улицей и внутренним объёмом помещений.
Научные изыскания показывают, что для преобразования в устройство для хранения энергии, называемое суперконденсатором, хорошо подходят именно красные кирпичи. Аспирант Вашингтонского университета Хунминь Ванг, первый автор статьи о новом исследовании, пишет, что красный цвет кирпича происходит из-за пигмента одной из главнейших железных руд – гематита (Fe2O3; есть сведения, что он впервые использовался ещё 73000 лет назад, являясь частью красной охры), чей химический состав и даёт возможность развивать передовые функциональные возможности обожжённого кирпича. Этот оксид железа (он же ржавчина, появляющаяся в глине в процессе обжига и окрашивающая её) необходим для запуска реакции полимеризации.
«Мы разработали покрытие из проводящего полимера PEDOT, которое состоит из нановолокон, проникающих во внутреннюю пористую сеть кирпича; полимерное покрытие остаётся застрявшим в кирпиче и служит ионной губкой, которая хранит и проводит электричество», – поясняет Д'Арси.
Расчёты авторов предполагают, что стены из этих аккумулирующих кирпичей могут накапливать довольно значительное количество энергии. А учитывая обыденность, простоту и доступность этого материала – он становится идеальной и недорогой отправной точкой для химического синтеза.
«Кирпичи с покрытием PEDOT – идеальные строительные блоки, которые могут обеспечить питание аварийного освещения», – говорит Д'Арси о практическом применении разработки, – «Мы предполагаем, это возможно осуществить, соединив наши кирпичи с солнечными элементами – для этого понадобится около 50 кирпичей в непосредственной близости от нагрузки. Эти 50 кирпичей позволят запитать аварийное освещение на пять часов.
Да, это не та мощность и ёмкость, которые могут быть обеспечены электрохимической батареей, но, помимо доступности и строительного функционала, у кирпича есть ещё одно преимущество в виде продолжительности его электрического ресурса: стену, служащую суперконденсатором, можно заряжать сотни тысяч раз в течение часа. Кроме того, три кирпича, соединённые между собой и пропитанные специальным гелем в качестве электролита, удалось зарядить напряжением в три вольта в течение всего лишь десяти секунд. И даже если плотность тока стянутых проволокой кирпичей была очень низкой, этого оказалось достаточно, чтобы, как показано на видео Ванга, зелёный светодиод светился почти десять минут.
Таким образом, как и все суперконденсаторы, новый стройматериал может заряжаться и разряжаться быстрее аккумулятора и при этом обладает более высокой ёмкостью, чем обычный конденсатор. То есть, по свойствам, его можно разместить где-то между этими устройствами, и они же позволяет легко запитать датчики микроэлектроники, просто соединив пару кирпичей.
«Мы наделили кирпичи новой функцией, о которой никогда не слышали архитекторы и строительные компании», – говорит Д'Арси. Но чтобы ещё больше увеличить их ёмкость, предстоит множество экспериментов. Сейчас у исследователей есть идея по оптимизации проводимости путём усовершенствования проводящего полимерного покрытия строительного материала. В то же время в планах разработка технологии (или пока хотя бы её концепции) надёжного электрического соединения кирпичей друг с другом без сторонней проводки непосредственно во время строительных работ – такие элементы можно будет просто встраивать в кирпичные стены.
Итак, в энергетике произошло новое важное событие. Можно, конечно, сказать, что мир не будет прежним, но до глобального использования описанной технологии ещё ой как далеко. Однако уже то, что мы имеем возможность столь футуристического повышения энергоэффективности, позволяет смотреть в будущее с некоторым воодушевлением и предвкушением прелестей энергонезависимости из фантастических сюжетов. Ведь… ну какая ещё эпоха может похвастаться домом, который сам бы себя обеспечивал энергией? Да, такая восхитительная самостоятельность будет не скоро, но успех с «супер-кондер-кирпичами» (или, может, это «суперконпичИ»? Или «суперкипИторы», «суперкирпидёры»? Ах, какое поле для словотворчества!) уже позволяет собирать энергию для питания аварийного освещения, других небольших источников света, датчиков, сенсоров и другой микроэлектроники. А при подключении к солнечной панели они будут заряжаться снова и снова.
Всего пара вопросов: строить теперь будут электрики или каменщики? И… сносить ли здание, когда у него «сядет батарейка»?
По материалам Nature Communications