Бетон є повсюдисущим матеріалом, поступаючись за обсягами використання лише воді. Він становить основу будівель та інфраструктурних об’єктів у всіх куточках планети. Однак нещодавнє дослідження вчених з Орхуського університету в Данії може докорінно змінити наше сприйняття цього будівельного елемента. Вони розробили новаторський спосіб перетворення бетону на засіб накопичення енергії за допомогою мікроорганізмів. Результати цього проривного дослідження були оприлюднені у виданні “Cell Reports Physical Science“. Суть методу полягає у змішуванні бактерій Shewanella oneidensis – це мікроорганізми, відомі своєю здатністю переносити електрони на зовнішні акцептори, що робить їх надзвичайно цікавими для біоелектрохімічних процесів, зокрема для мікробних паливних елементів – безпосередньо в бетонну суміш. Так утворюється гібридний матеріал, що здатний накопичувати електричну енергію.
Ці бактерії формують біоплівки всередині бетону – це складні спільноти мікроорганізмів, укладені в самостійно вироблену полімерну матрицю, яка прилипає до поверхні. Саме ці біоплівки стають резервуарами для збереження електроенергії, перетворюючи кожен бетонний блок на своєрідний суперконденсатор. Суперконденсатор – це електрохімічний конденсатор, що має надзвичайно високу ємність, що дозволяє йому зберігати значно більше енергії, ніж звичайні конденсатори. Вони можуть швидко заряджатися та розряджатися, а також відрізняються тривалим терміном служби порівняно з батареями, хоча й зберігають меншу щільність енергії на одиницю маси. Блоки працюють за принципом акумулятора, утримуючи енергію до моменту її використання. Проте, на відміну від стандартних акумуляторів, це бетонне нововведення має здатність відновлювати свою накопичувальну здатність. Замість того, щоб безповоротно деградувати з часом, як це відбувається з батареями теперішнього покоління, вчені виявили, що впорскування поживних речовин у такий бетон дозволяє бактеріям повернути до 80% своїх накопичувальних можливостей.
У пресрелізі Орхуського університету – це один з найстаріших і найбільших університетів Данії, розташований у місті Орхус, другому за величиною місті країни, відомому своїм жвавим академічним середовищем та багатою культурною спадщиною – один з авторів дослідження, Ці Луо, зазначив, що дослідники “бачать цю технологію вбудованою в реальні будівлі – у стіни, фундаменти або мости, де вона зможе підтримувати відновлювані джерела енергії, такі як сонячні панелі, забезпечуючи локальне зберігання енергії”. Нині власники сонячних панелей змушені встановлювати домашні акумулятори для зберігання заряду, але з цим новим бетоном частина ємності для зберігання потенційно може надходити від бетонних конструкцій, використаних при будівництві будинку.
Чи зможуть стіни майбутнього зберігати енергію?
Новий бетон, розроблений дослідниками, має значну здатність до накопичення енергії. Луо пояснив, що “уявіть звичайну кімнату, збудовану з цементу, насиченого бактеріями: навіть за скромної щільності енергії 5 Вт·год/кг, самі стіни можуть зберігати близько 10 кВт·год – цього достатньо, щоб забезпечити роботу стандартного корпоративного сервера протягом цілого дня”.
Окрім вражаючої ємності, матеріал також демонстрував чудову стійкість протягом тривалого використання. Згідно з дослідженням, матеріал здатний зберігати 85% своєї початкової ємності після 10 000 циклів заряджання та розряджання. Для порівняння, середня літій-іонна батарея для електроінструментів витримує від 300 до 2 400 циклів, перш ніж її ємність істотно знизиться.
Бетон зберігав здатність накопичувати електрику в широкому діапазоні температур, хоча в умовах замерзання його ємність падала. Дослідження показали, що мікроби, які зберігають електрику, були найбільш активними при температурі від 30 до 37 градусів Цельсія, і вони могли витримувати температуру до 80 градусів Цельсія, перш ніж їхні структури руйнувалися і вони безповоротно втрачали свої функції. Навіть після загибелі мікробів, енергозберігаючі плівки, які вони утворили в бетоні, продовжували утримувати помітну кількість заряду.
Новий матеріал все ще має обмеження
Попри те, що новий бетон демонструє значні перспективи у цьому дослідженні, він не з’явиться на комерційному ринку найближчим часом. Автори роботи визнали, що їм досі невідомо, як саме мікроорганізми поводяться в довгостроковій перспективі, і необхідні подальші вивчення того, як мікроби виживають за умов мінімального догляду. Наразі дослідники також не підтвердили, чи буде можливим масштабування виробництва цих бактерій до рівня, необхідного для широкого комерційного використання.
Певні зовнішні чинники, такі як рівень лужності середовища, де перебувають мікроби, суттєво впливали на їхні накопичувальні здібності. Крім того, якщо цей бетон передбачалося б використовувати в особливо спекотних умовах, знадобилися б засоби для захисту мікроорганізмів від впливу високої температури. Отже, хоча новий бетон є потенційно докорінною технологією для зберігання енергії, якщо він виявиться комерційно вигідним, немає гарантії, що він коли-небудь потрапить до рук будівельних компаній. Проте, попри наявні обмеження, це залишається надзвичайно багатообіцяючою ідеєю.
