Żywy beton zasili twój dom. Tak będziemy się budować
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. Jeśli 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 właściwą 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, że 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, że 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, że 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 nawet lekko zyskują dzięki dodatkowej mineralizacji węglanowej.
Przeczytaj także:
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.
