Beton ist eines der Symbole des Industriezeitalters. Nun wird er vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) zu einer neuen Energiequelle „neu definiert“.
Ein Kubikmeter Beton kann 2 kWh Strom speichern, genug, um einen Kühlschrank 24 Stunden lang zu betreiben. Diese Errungenschaft eröffnet die Perspektive auf zukünftige Gebäude, die ihren eigenen Strom erzeugen, speichern und liefern können.
Von Baumaterialien bis hin zu Energiespeichergeräten
Beton ist ein Baustoff, der mit allen Bauwerken in Verbindung gebracht wird, von Häusern und Brücken bis hin zu Hochhäusern.
Das MIT-Team macht daraus ein „Energiegerät“. Der neue Beton, genannt ec3 (elektronenleitender Kohlenstoffbeton), besteht aus Zement, Wasser und Ruß, einem Material mit hoher Leitfähigkeit.
Im Gegensatz zu herkömmlichem Beton kann EC3 als Superkondensator fungieren. Nach dem Mischen, Formen und Aushärten wird der Betonblock in eine Elektrolytlösung getaucht, die es geladenen Ionen ermöglicht, das Kohlenstoffnetzwerk zu durchdringen.
Die neue Betonsorte heißt ec3, was für elektronenleitender Kohlenstoffbeton steht (Foto: MIT).
Zwei durch eine dünne Isolierschicht getrennte EC3-Elektroden bilden eine Struktur, die elektrische Energie speichern kann.
Nach zweijähriger Optimierung hat das Forschungsteam die Speicherkapazität von ec3 im Vergleich zur ersten, im Jahr 2023 angekündigten Version um fast das Zehnfache erhöht. 1 m³ des Materials kann nun mehr als 2 kWh speichern, genug, um einen Kühlschrank einen ganzen Tag lang zu betreiben.
Entschlüsselung der Schlüsselnanostruktur zur Steigerung der Speicherkapazität
Um dieses Ergebnis zu erzielen, nutzten Wissenschaftler am MIT eine Mikroskopietechnik namens FIB-SEM-Tomographie, die es ermöglicht, Nanokohlenstoffnetzwerke im Inneren von Beton mit extrem hoher dreidimensionaler Auflösung zu beobachten.
Dies ermöglichte ihnen ein besseres Verständnis dafür, wie sich Rußpartikel mit Zement verbinden und ein leitfähiges System bilden. Durch die Verfeinerung im Nanobereich vergrößert sich die Oberfläche, wodurch das Material mehr Ladung speichern kann.
Das Team testete außerdem verschiedene Elektrolytlösungen. Die Kombination eines quaternären Ammoniumsalzes mit dem leitfähigen Lösungsmittel Acetonitril schuf ein stabiles elektrochemisches Milieu, was zu einer signifikanten Steigerung der Energiedichte führte.
Um die Speicherkapazität ohne Nachbearbeitung zu erhöhen, werden dickere Elektroden eingesetzt.
Die Energiedichte von EC3 wird derzeit auf etwa 200 Wh/ m³ geschätzt und ist damit deutlich höher als die herkömmlicher Baumaterialien. Dank dieser Effizienz genügen bereits wenige EC3-Wände in einer Wohnung, um Strom für den kurzfristigen Bedarf zu speichern.
Wenn Beton fühlen und reagieren kann
EC3 kann nicht nur Strom speichern, sondern auch seine Umgebung „wahrnehmen“ und darauf reagieren. In einem Experiment bauten Wissenschaftler ein kleines Kuppelmodell mit EC3, das genügend Strom enthielt, um eine 9-V-LED zum Leuchten zu bringen.
Der ec3 speichert nicht nur Strom, sondern kann auch seine Umgebung "erkennen" und darauf reagieren (Foto: MIT).
Bei Anlegen einer Last variierte die Lichtausbeute mit der angelegten Kraft, was darauf hindeutet, dass die Spannung entsprechend schwankte.
Dr. Admir Masic, Co-Direktor des ec3-Forschungszentrums, erklärte, dass die Leistung einer ec3-Kuppel in Originalgröße bei starkem Wind oder ungewöhnlichen Belastungen schwankt. Dieses Signal kann genutzt werden, um den Zustand der Struktur in Echtzeit zu überwachen.
Diese Technologie eröffnet die Perspektive auf Gebäude, die sich selbst warnen können, wenn sie Risse bekommen, vibrieren oder überlastet sind. Jedes Bauwerk wird nicht mehr nur ein statischer Betonblock sein, sondern ein „intelligentes“ Materialsystem, das auf seine Umgebung reagieren kann.
Schritte vorwärts für saubere Energie und nachhaltige Infrastruktur
Die Einführung des ec3 erfolgt zu einem Zeitpunkt, an dem die Welt dringend Lösungen zur Speicherung erneuerbarer Energien benötigt. Lithium-Ionen-Batterien sind zwar hocheffizient, aber teuer, schwer zu recyceln und basieren auf seltenen Metallen.
Beton ist zudem billig, langlebig, weit verbreitet und kann in Massenproduktion hergestellt werden, ohne die Umwelt stark zu belasten.
Das MIT hofft, dass ec3 in Hausfundamente, Wände, Gehwege oder Straßenbetten integriert werden kann, um Strom aus Solaranlagen und Windkraftanlagen zu speichern.
Überschüssige Energie wird vom System gespeichert und bei hohem Bedarf wieder abgegeben. In Japan wurde die Technologie bereits getestet, um Gehwege in Sapporo zu beheizen und so das Wintereis zu schmelzen.
Bei einer Kommerzialisierung könnte ec3 die gesamte städtische Infrastruktur in ein dezentrales Batterienetzwerk verwandeln und so zur Stabilisierung des nationalen Stromnetzes beitragen sowie die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern verringern.
Das MIT räumt ein, dass ec3 hinsichtlich der Energiedichte noch nicht mit kommerziellen Batterien mithalten kann, öffnet aber die Tür zu einer Zukunft, in der Beton nicht nur ein tragendes Material, sondern auch Teil des Energiesystems ist.
Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/chung-cu-co-the-la-khoi-pin-khong-lo-trong-tuong-lai-20251014080130790.htm
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