Questa scoperta spingerà il settore delle rinnovabili, creato un super accumulatore con materiali economici

Il comune cemento e il nero di carbone (più noto come nero di carbonio o nerofumo) rivoluzioneranno il settore delle energie rinnovabili. L’annuncio arriva da un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) che ha visto i risultati di un proprio studio pubblicati sulle pagine della rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). I due materiale, abbondanti ed economici, potrebbero costituire la base per lo sviluppo di un nuovo sistema di accumulo. La scoperta potrebbe dare una poderosa spinta alle fonti energetiche rinnovabili. I due materiali, hanno evidenziato gli scienziati, possono essere combinati con l'acqua per creare un supercondensatore più efficiente delle normali batterie oggi sul mercato.

Il sistema sviluppato dai ricercatori del Mit potrebbe sostituire integralmente le fondamenta di cemento di una normale casa, senza dunque aggravi di spesa, e fornire agli occupanti dell’abitazione una capacità storage pressoché illimitata. A detta degli specialisti universitari la corrente potrebbe esser poi riutilizzata grazie a sistemi wireless. La tecnologia, semplice ma innovativa, è descritta nell’articolo che porta la firma dei professori Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, e di altri quattro colleghi del MIT e dell Wyss Institute.

Come funzionano i condensatori

I condensatori sono in linea di principio dispositivi molto semplici, costituiti da due piastre elettricamente conduttive immerse in un elettrolita e separate da una membrana. Quando viene applicata una tensione attraverso il condensatore, gli ioni caricati positivamente dall'elettrolita si accumulano sulla piastra caricata negativamente, mentre la piastra caricata positivamente accumula ioni caricati negativamente. Poiché la membrana tra le piastre blocca la migrazione degli ioni carichi, questa separazione delle cariche crea un campo elettrico tra le piastre e il condensatore si carica. Le due piastre possono mantenere a lungo questa coppia di cariche per poi erogarle molto velocemente quando necessario. I supercondensatori sono semplicemente condensatori in grado di immagazzinare cariche eccezionalmente grandi. La quantità di energia che un condensatore può immagazzinare dipende dalla superficie totale delle sue piastre conduttive.

Le nuove "batterie a base cemento"

La chiave dei nuovi supercondensatori sviluppati da questo team deriva da un metodo di produzione di un materiale a base di cemento con una superficie interna estremamente elevata dovuta a una rete densa e interconnessa di materiale conduttivo all'interno del suo volume di massa. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato introducendo il nerofumo, altamente conduttivo, in una miscela di cemento insieme a polvere di cemento e acqua e lasciandolo indurire.

L'acqua forma naturalmente una rete ramificata all'interno della struttura mentre reagisce con il cemento, e il carbonio migra in questi spazi per creare strutture simili a fili. Queste strutture hanno una struttura simile a un frattale, con rami più grandi da cui spuntano rami più piccoli, e quelli che germogliano rametti ancora più piccoli, e così via, finendo con una superficie estremamente ampia all'interno dei confini di un volume relativamente piccolo. Il materiale viene quindi immerso in un materiale elettrolitico standard, come il cloruro di potassio, una specie di sale che fornisce le particelle cariche che si accumulano sulle strutture di carbonio. Due elettrodi realizzati con questo materiale, separati da uno spazio sottile o da uno strato isolante, formano un supercondensatore molto potente. 

Le armature del condensatore funzionano proprio come i due poli di una batteria ricaricabile: quando sono collegate a una fonte di elettricità l'energia viene immagazzinata nelle armature, quando sono collegate a un carico l'elettricità scorre per fornire energia. Il processo è facilmente riproducibile, con materiali poco costosi e facilmente reperibili in qualsiasi parte del mondo. E la quantità di carbonio necessaria è molto piccola - appena il 3 percento in volume del mix - per ottenere una rete di carbonio percolato. "C'è un enorme bisogno di nuovi sistemi di accumulo – evidenzia Ulm -. Le batterie attualmente sul mercato sono troppo costose e si basano principalmente su materiali come il litio, la cui fornitura è limitata, quindi sono assolutamente necessarie alternative più economiche”.

Un blocco di cemento al nerofumo di circa 3,5 metri di diametro ha una capacità di quasi 10 chilowattora, l’ideale per l’uso domestico. Le dimensioni delle fondamenta di una normale abitazione potrebbero garantire l’immagazzinamento di energia sufficiente a soddisfare le esigenze di una famiglia per un’intera giornata. I supercondensatori, inoltre, possono essere caricati e scaricati molto più rapidamente delle batterie tradizionali. I ricercatori stanno ora sviluppando un prototipo di dimensioni paragonabili a quelle di una batteria per auto. Qualora i risultati fossero incoraggianti si procederebbe col realizzarne una versione da 45 metri cubi.