Cement przez wieki był tylko elementem budynków. Teraz może stać się ich akumulatorem. Wszystko dzięki najnowszemu odkryciu.
Naukowcy opracowali biohybrydowy superkondensator, który powstaje z cementu i żywych mikroorganizmów, a jego parametry zaskakują jak na materiał konstrukcyjny. jeżeli taki żywy beton trafi do praktyki, ściany mogłyby gromadzić energię z fotowoltaiki i oddawać ją, kiedy dom najbardziej jej potrzebuje.
Cement, który nie tylko dźwiga, ale też magazynuje
Jak opisują naukowcy, klucz tkwi w połączeniu cementu z elektroaktywnymi bakteriami, które potrafią przekazywać elektrony do otoczenia. Badacze zamienili obojętną, budowlaną matrycę w przewodzącą sieć zdolną do magazynowania ładunku. W praktyce chodzi o stworzenie w betonie trwałych ścieżek przepływu elektronów oraz biofilmu, który zachowuje się jak swego rodzaju gąbka energetyczna. Efektem ma być superkondensator z energią adekwatną rzędu 178,7 Wh/kg i mocą do 8,3 kW/kg, czyli poziomami niespotykanymi w dotychczasowych cementowych magazynach. Co ważne, po 10 tys. cykli urządzenie zachowuje 85 proc. pojemności, a po ożywieniu układu odzyskuje do 80 proc. sprawności.
Za całym rozwiązaniem stoją mikroorganizmy Shewanella oneidensis MR-1. Są to bakterie znane z tego, iż potrafią wymieniać elektrony z materiałami przewodzącymi dzięki mechanizmom zewnętrznego transferu elektronów. Osadzone w porach utwardzającego się cementu wraz z produktami hydratacji i dodatkami węglowymi tworzą ciągłą sieć transportu ładunku. W odróżnieniu od klasycznego superkondensatora opartego wyłącznie na zjawisku podwójnej warstwy tutaj istotną częścią pojemności jest proces redoks zachodzący w biofilmie. Dzięki temu materiał ładuje się i rozładowuje szybciej, a przy tym lepiej znosi intensywną eksploatację.
Optymalna dawka życia w betonie
Badacze przetestowali różne stężenia mikroorganizmów i wykazali, iż maksimum możliwości układu przypada przy udziale 1,2 proc. masy cementu. Poniżej tej wartości sieć jest zbyt rzadka, a powyżej bakterie mają skłonność do agregacji, co podnosi opór i pogarsza dyfuzję jonów. Analizy mikrostruktury pokazują, iż obecność mikroorganizmów modyfikuje rozkład porów i wspiera wytrzymałość po pełnym dojrzewaniu. Co istotne z punktu widzenia budownictwa, po 28 dniach próbki z bakteriami nie tracą nośności, a choćby lekko zyskują dzięki dodatkowej mineralizacji węglanowej.
Co ciekawe, system dojrzewa z czasem. Jego zdolność magazynowania rośnie wraz z hydratacją i rozwojem biofilmu. Później, gdy brakuje składników odżywczych, aktywność biologiczna spada. Odpowiedzią są mikrokanaliki w cemencie, którymi okresowo podaje się pożywkę.
