Il calcestruzzo diventa un supercondensatore grazie a una rete di nanocarbonio: basta una parete portante per soddisfare il fabbisogno giornaliero di una famiglia

La transizione verso un sistema energetico basato sulle fonti rinnovabili deve affrontare un ostacolo che sembra insormontabile: la loro natura non programmabile. La produzione di energia pulita è intermittente, perciò non può fare a meno di batterie e altri dispositivi d’accumulo.

I ricercatori del MIT, però, stanno esplorando i contorni di una frontiera tecnologica potenzialmente rivoluzionaria: la trasformazione del calcestruzzo, il materiale più utilizzato al mondo dopo l’acqua, in un sistema capace di immagazzinare e rilasciare energia elettrica.

ec3, il cemento che può alimentare le città del futuro

Volendo coltivare un certo ottimismo storico, potremmo trovarci a immaginare le città del futuro come pacifici organismi autosufficienti immersi nel verde. In questo scenario, l’umanità si appresta a diventare una Civiltà di Tipo 1 (secondo la scala di Kardašëv), capace di sfruttare l’intero budget energetico del pianeta per sostenere il proprio sviluppo.

L’energia solare, però, ha ancora i suoi limiti. Finché non troveremo un modo per intercettare i fotoni direttamente in orbita, dove non esistono nubi né tramonti, avremo bisogno di infrastrutture in grado di “ricordare” l’energia del giorno per nutrire le attività umane durante la notte. Serviranno ancora enormi batterie, o altri sistemi di accumulo.

La soluzione, però, potrebbe essere già sotto i nostri piedi, nei muri delle case, nelle stazioni dei treni: un team di ricercatori del MIT, infatti, sta trasformando il cemento in un dispositivo ad alta tecnologia che può immagazzinare e rilasciare energia elettrica. Le città potrebbero alimentarsi da sole: le fondamenta delle case potrebbero immagazzinare abbastanza energia da coprire il fabbisogno energetico di una famiglia, le pareti potrebbero accumulare l’energia prodotta dai pannelli solari, marciapiedi e panchine potrebbero alimentare lampioni e hotspot Wi-Fi durante la notte.

L’invenzione si chiama electron-conducting carbon concrete (ec3), ed è un calcestruzzo al carbonio realizzato combinando cemento, acqua, carbon black ultrafine (con particelle nanometriche) ed elettroliti. Illustrato per la prima volta in uno studio del 2023, l’ec3 è oggi in grado di alimentare dispositivi e supportare carichi meccanici. Nel 2023, immagazzinare energia sufficiente a soddisfare il fabbisogno giornaliero di una casa avrebbe richiesto circa 45 metri cubi di ec3, all’incirca la quantità di calcestruzzo utilizzata in un tipico seminterrato. Ora, con l’elettrolita migliorato, bastano circa 5 metri cubi, il volume di una singola parete portante.

La geometria dell’energia: il calcestruzzo diventa una “batteria”

Il miglioramento della densità energetica dell’ec3, si legge in una ricerca pubblicata su PNAS, è stato possibile grazie a una comprensione più approfondita del funzionamento della rete di nanocarbonio all’interno dell’ec3 e del suo rapporto con gli elettroliti.

I ricercatori sono riusciti infatti a “vedere” la nanorete conduttiva a una risoluzione mai raggiunta prima grazie alla rimozione sequenziale di strati sottili di materiali (eseguita con fasci ionici focalizzati) e all’osservazione di ogni strato di materiale con un microscopio elettronico a scansione. Così, il team dell’EC3 Hub e del MIT Concrete Sustainability Hub ha scoperto che “la rete è essenzialmente una “rete” frattale che circonda i pori dell’ec3, consentendo all’elettrolita di infiltrarsi e alla corrente di fluire attraverso il sistema”.

“Un elemento chiave per la sostenibilità del calcestruzzo è lo sviluppo di un “calcestruzzo multifunzionale”, che integri funzionalità come l’accumulo di energia, l’auto-riparazione e il sequestro del carbonio. (…) Capire come questi materiali si “assemblano” su scala nanometrica è fondamentale per ottenere queste nuove funzionalità”,

spiega  Admir Masic, autore principale del nuovo studio, co-direttore dell’Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials Hub (EC3 Hub) del MIT e professore associato di ingegneria civile e ambientale (CEE) al MIT.

Grazie alla loro nuova comprensione della nanorete, il team ha sperimentato diversi elettroliti a diverse concentrazioni per vedere come influissero sulla densità di accumulo di energia:

“Abbiamo scoperto che esiste un’ampia gamma di elettroliti che potrebbero essere validi candidati per l’ec3. Tra questi, anche l’acqua di mare, il che potrebbe renderlo un buon materiale per l’uso in applicazioni costiere e marine come le strutture di supporto per parchi eolici offshore”,

sottolinea Damian Stefaniuk, primo autore dello studio e ricercatore scientifico dell’EC3 Hub.

Dagli antichi Romani al monitoraggio intelligente

Le batterie, è chiaro, offrono ancora una densità energetica molto superiore. L’ec3, però, almeno in linea di principio, può essere incorporato direttamente in solai, pareti, cupole e altri elementi architettonici, e durare quanto la struttura stessa. Come spiega Masic,

“Gli antichi romani fecero grandi progressi nella costruzione di calcestruzzo. Strutture imponenti come il Pantheon stanno ancora oggi in piedi senza rinforzi. Mantenendo il loro spirito che unisce scienza dei materiali e visione architettonica, potremmo arrivare sull’orlo di una nuova rivoluzione”.

Ed è proprio ispirandosi all’architettura romana che il team ha usato l’ec3 per costruire un arco in miniatura e dimostrare come la forma strutturale e la funzione di accumulo possano interagire: operando a 9 volt, l’arco è riuscito a supportare il proprio peso e un carico aggiuntivo mentre alimentava una luce a LED. Quando il carico aumentava, però, la luce tremolava. Probabilmente, spiegano gli scienziati, cio è dovuto al modo in cui lo stress influisce sui contatti elettrici o sulla distribuzione delle cariche:

“Potrebbe esserci una sorta di capacità di automonitoraggio. Se pensiamo a un arco ec3 su scala architettonica, la sua potenza potrebbe fluttuare quando è esposto a un fattore di stress come i forti venti. Potremmo usarlo come segnale per capire quando e in che misura una struttura è sottoposta a stress, o monitorarne lo stato di salute generale in tempo reale”,

spiega Masic.

L’ec3 è già stato utilizzato per riscaldare lastre di marciapiedi a Sapporo, in Giappone: grazie alla sua conduttività termica, spiegano, rappresenta una potenziale alternativa allo spargimento di sale sulle strade. E i ricercatori stanno lavorando ad applicazioni come parcheggi e strade capaci di ricaricare i veicoli elettrici e case che possano funzionare completamente off-grid.

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