¿Los edificios del futuro podrían funcionar como enormes baterías eléctricas? Científicos del Instituto Tecnológico de Harbin y de la Academia China de Ciencias desarrollaron un nuevo material de construcción a base de cemento que, además de proporcionar soporte a determinadas estructuras, tiene la capacidad de almacenar y distribuir energía.
En la actualidad, países de todo el mundo exploran alternativas para hacer frente a la crisis energética. Una de las opciones evaluadas en los últimos años es el desarrollo de materiales de construcción multifuncionales que, entre otras propiedades, pueden soportar cargas y almacenar energía eléctrica de manera simultánea.
Los especialistas sostienen que estos insumos de nueva generación podrían ampliar el papel de la infraestructura civil en las estrategias para garantizar el suministro energético y acelerar la transición hacia fuentes renovables.
Con una capacidad inicial de 24 megavatios, el innovador centro de datos está sumergido a 10 metros de profundidad y aprovecha el agua de mar como sistema natural de refrigeración.
Sin embargo, la fabricación a gran escala de dispositivos de almacenamiento energético basados en cemento y diseñados para integrarse en estructuras arquitectónicas implica diversos desafíos. Una de las principales dificultades consiste en conseguir que los componentes encargados de almacenar y distribuir electricidad permanezcan unidos a los elementos que proporcionan soporte, como el cemento. A esto se suma la complejidad de garantizar que el proceso de ionización ocurra sin interferencias en el interior de los materiales, una condición necesaria para mantener la eficiencia del almacenamiento.
La nueva investigación, publicada en la revista ACS Nano, abordó estos problemas mediante el diseño de un supercondensador experimental de cemento impreso en 3D que, durante las pruebas de laboratorio, demostró su capacidad para almacenar electricidad sin comprometer la resistencia del hormigón.
A diferencia de las baterías convencionales, que utilizan reacciones químicas para almacenar y liberar energía, los supercondensadores cumplen estas funciones por medio de principios electrostáticos, al acumular cargas eléctricas en la superficie de sus electrodos.
Esta diferencia influye en su funcionamiento. Las baterías suelen almacenar más energía y suministrarla durante periodos prolongados, mientras que los supercondensadores pueden cargarse y descargarse con mucha mayor rapidez. Por ello, resultan útiles cuando se necesita entregar grandes cantidades de electricidad en poco tiempo. Además, soportan muchos más ciclos de carga y descarga antes de que su rendimiento se deteriore significativamente.
Una mezcla con cemento que puede almacenar energía
Con base en este principio, los científicos fabricaron un supercondensador con una técnica de impresión denominada escritura directa de tinta, que permite depositar materiales siguiendo un patrón determinado. Este método les ayudó a resolver los desafíos relacionados con la ionización efectiva y la unión de los componentes que dificultan el desarrollo de materiales de construcción multifuncionales.
Los investigadores formularon una tinta conductora con nanotubos de carbono, negro de carbón y cemento tradicional. La combinación de estos materiales facilita el almacenamiento de energía y reduce el riesgo de separación entre los componentes. Después, la mezcla se imprimió sobre una losa de hormigón mediante un patrón interdigitado, similar a dos manos cuyos dedos se entrelazan sin llegar a tocarse.
Esta configuración permitió mantener la proximidad y la separación necesarias entre los electrodos para favorecer el proceso de ionización. Asimismo, contribuyó a evitar que el rendimiento energético disminuyera al aumentar el grosor del material.
En las pruebas de laboratorio, realizadas dentro de un intervalo de funcionamiento de un voltio, el supercondensador alcanzó una capacitancia superficial de 162.14 milifaradios por centímetro cuadrado, medida con una corriente de 0.46 miliamperios por centímetro cuadrado. La capacitancia indica cuánta carga eléctrica puede almacenar un dispositivo para un voltaje determinado.
Además, registró una densidad de energía superficial de 22.52 microvatios-hora por centímetro cuadrado. Esta medida expresa la cantidad de energía que puede almacenar en relación con la superficie que ocupa. El dispositivo también alcanzó una densidad de potencia de 0.49 milivatios por centímetro cuadrado, un indicador de la rapidez con la que puede suministrar la electricidad acumulada.
