Nowy materiał opracowany przez zespół prof. Zhou Yanga z Southeast University w Chinach to cementowo-hydrożelowy kompozyt, który potrafi przekształcać ciepło w energię elektryczną – i to z niespotykaną dotąd wydajnością. Wzorem dla jego struktury były… łodygi roślin. To właśnie ich warstwowa budowa zainspirowała naukowców do stworzenia cementu, który nie tylko pełni funkcje konstrukcyjne, ale również energetyczne.
Czytaj też: Neutralny węglowo cement to potencjalny budulec przyszłości. Co z jego właściwościami?
Cement-hydrożel osiąga współczynnik Seebecka wynoszący -40,5 mV/K oraz współczynnik sprawności (ZT) równy 6,6×10-2 – czyli odpowiednio dziesięcio- i sześciokrotnie lepsze wartości niż w przypadku wcześniejszych cementów termoelektrycznych. To przełom, który pokazuje, że cement może stać się nie tylko biernym składnikiem infrastruktury, ale aktywnym uczestnikiem energetycznej transformacji. Szczegóły opisano w czasopiśmie Science Bulletin.
Cement przyszłości będzie potrafił znacznie więcej, niż śniło sie filozofom
Choć cement posiada naturalną zdolność do generowania prądu dzięki zjawisku termoelektrycznemu, jego gęsta struktura dotąd skutecznie ograniczała mobilność jonów, co czyniło ten efekt praktycznie bezużytecznym. Zespół prof. Yanga postanowił rozwiązać ten problem, tworząc materiał zbudowany z naprzemiennych warstw klasycznego cementu i hydrożelu polialkoholowego (PVA).
Czytaj też: Nieznane właściwości betonu w elektrowniach atomowych. Przełomowe odkrycie zmienia wszystko
Warstwy hydrożelowe umożliwiają szybki transport jonów hydroksylowych (OH–), podczas gdy powierzchnie kontaktu z cementem zostały tak zaprojektowane, by silnie wiązać jony wapnia (Ca2+), a słabiej OH–. Ta asymetria w przemieszczaniu się jonów zwiększa różnicę mobilności, co przekłada się na znacznie wyższy efekt termoelektryczny. To przykład tzw. selektywnej immobilizacji jonów – koncepcji, która może okazać się kluczowa w dalszym rozwoju materiałów energetycznych.
Jedną z najbardziej rewolucyjnych cech nowego materiału jest jego zdolność do jednoczesnego generowania i przechowywania energii elektrycznej. Dzięki swojej wielowarstwowej strukturze cement-hydrożel nie tylko osiąga lepsze właściwości mechaniczne, ale również oferuje wbudowane możliwości magazynowania energii.
W praktyce oznacza to, że budynki, mosty, chodniki czy drogi wykonane z tego materiału mogą samodzielnie zasilać systemy czujników, oświetlenia lub komunikacji bezprzewodowej. To ogromny krok w stronę tzw. inteligentnych struktur, które nie potrzebują zewnętrznej infrastruktury zasilającej.
Produkcja cementu odpowiada dziś za około 8 proc. globalnej emisji dwutlenku węgla. To jeden z największych pojedynczych emitentów w skali przemysłu. Nie dziwi więc, że temat dekarbonizacji sektora budowlanego staje się coraz głośniejszy na konferencjach naukowych, takich jak SynBioBeta, gdzie w tym roku odbyła się debata zatytułowana “Conquering Carbon Emissions From the Concrete Industry”.
Nowe bioinspirowane materiały, takie jak cement-hydrożel, mogą odegrać kluczową rolę w ograniczeniu emisji – nie tylko poprzez samą efektywność energetyczną, ale też dzięki integracji z systemami odnawialnej energii i ograniczeniu potrzeby stosowania tradycyjnych źródeł zasilania w infrastrukturze miejskiej.
Choć technologia powstała w Chinach, jej zastosowania mogą być uniwersalne. Szczególnie interesująco rysuje się możliwość implementacji tego materiału w szybko urbanizujących się regionach Europy, w tym także w Polsce.
Wraz z rozwojem koncepcji inteligentnych miast rośnie zapotrzebowanie na infrastrukturę, która będzie nie tylko trwała, ale też funkcjonalna energetycznie. Cement-hydrożel doskonale wpisuje się w tę wizję. Jest nośnikiem nowego paradygmatu, w którym materiały budowlane przestają być wyłącznie tłem dla technologii – same stają się technologią. W perspektywie kilku dekad może to oznaczać, że sieci energetyczne miast będą zdecentralizowane i rozproszone w samej strukturze urbanistycznej. Każda powierzchnia – od ściany biurowca po asfalt ulicy – będzie potencjalnym źródłem zasilania.