Beton Pil 10 Kat Daha Fazla Güç Depoluyor

Elektron iletken karbon beton (ec³) tabanlı bir kemer yapısı, çift işlevsellik için süper kapasitör elektrotlarını entegre ediyor. Prototip, hem yapısal yük taşıma hem de bir LED’i çalıştırma yeteneğini gösteriyor; ışığın yoğunluğu uygulanan yüke göre değişiyor ve süper kapasitör aracılığıyla gerçek zamanlı yapısal sağlık izleme potansiyelini vurguluyor.

Çimento, su, ultra ince karbon siyahı (nanometre parçacıklarıyla) ve elektrolitlerin birleştirilmesiyle yapılan elektron iletken karbon beton, (ec³, “e-c-küp” olarak telaffuz edilir) betonun içinde iletken bir “nano ağ” oluşturarak duvarlar, kaldırımlar ve köprüler gibi günlük yapıların elektrik enerjisini depolamasını ve serbest bırakmasını sağlayabilir. Başka bir deyişle, etrafımızdaki beton bir gün devasa “piller” görevi görebilir.

MIT (Massachusetts Institute of Technology) araştırmacılarının  bildirdiğine göre, optimize edilmiş elektrolitler ve üretim süreçleri, en yeni ec³ süper kapasitörlerinin enerji depolama kapasitesini on kat artırdı.

2023 yılında, ortalama bir evin günlük ihtiyaçlarını karşılayacak kadar enerji depolamak için yaklaşık 45 metreküp ec³ gerekiyordu, bu da tipik bir bodrum katında kullanılan beton miktarına yaklaşık olarak eşitti. Şimdi, geliştirilmiş elektrolit sayesinde aynı görev yaklaşık 5 metreküp, yani tipik bir bodrum duvarının hacmiyle gerçekleştirilebiliyor.

Yeni çalışmanın baş yazarı, MIT Elektron İletken Karbon Çimento Bazlı Malzemeler Merkezi (EC³ Hub) eş direktörü ve MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği (CEE) doçenti Admir Masic, “Betonun sürdürülebilirliğinin anahtarı, enerji depolama, kendi kendini onarma ve karbon tutma gibi işlevleri entegre eden “çok işlevli beton”un geliştirilmesidir. Beton zaten dünyanın en çok kullanılan inşaat malzemesidir, öyleyse neden bu ölçekten yararlanarak başka faydalar yaratmayalım?” diyor.

Geliştirilmiş enerji yoğunluğu, ec³ içindeki nanokarbon siyahı ağının nasıl işlev gördüğü ve elektrolitlerle nasıl etkileşimde bulunduğu konusunda daha derin bir anlayış sayesinde mümkün oldu.

EC³ malzemesinin ince katmanlarının ardışık olarak uzaklaştırılması için odaklanmış iyon ışınları kullanılarak ve ardından her dilimin taramalı elektron mikroskobu ile yüksek çözünürlüklü görüntülenmesiyle (FIB-SEM tomografisi adı verilen bir teknik), EC³ Hub ve MIT Beton Sürdürülebilirlik Merkezi’ndeki ekip, iletken nano ağı şimdiye kadarki en yüksek çözünürlükte yeniden oluşturmayı başardı. Bu yaklaşım, ekibin ağın esasen ec³ gözeneklerini çevreleyen fraktal benzeri bir “ağ” olduğunu keşfetmesini sağladı; bu da elektrolitin içeri sızmasına ve akımın sistemden akmasına olanak tanıyor.

Masic, “Bu malzemelerin nano ölçekte nasıl ‘bir araya geldiğini’ anlamak, bu yeni işlevselliklere ulaşmanın anahtarıdır.” diye ekliyor.

Nano ağ yapısı hakkındaki yeni anlayışlarıyla donanmış ekip, enerji depolama yoğunluğunu nasıl etkilediklerini görmek için farklı elektrolitler ve konsantrasyonlarıyla deneyler yaptı.

İlk yazar ve EC³ Hub araştırma bilimcisi Damian Stefaniuk, “ec³ için uygun aday olabilecek çok çeşitli elektrolitler bulduk. Buna deniz suyu bile dâhil; bu da onu kıyı ve deniz uygulamalarında, belki de açık deniz rüzgâr çiftlikleri için destek yapıları olarak kullanmak için iyi bir malzeme haline getirebilir.” dedi.

Aynı zamanda, ekip elektrolitleri karışıma ekleme yöntemini de basitleştirdi. ec3 elektrotlarını kürleyip ardından elektrolite batırmak yerine, elektroliti doğrudan karışım suyuna eklediler. Elektrolit penetrasyonu artık bir sınırlama olmadığı için ekip daha fazla enerji depolayan daha kalın elektrotlar üretebildi.

Ekip, özellikle dezenfektanlar gibi günlük ürünlerde bulunan kuaterner amonyum tuzlarını, endüstride sıklıkla kullanılan berrak, iletken bir sıvı olan asetonitril ile birleştiren organik elektrolitlere geçtiklerinde en iyi performansı elde ettiler. Bu ec³ versiyonunun bir metreküpü (yaklaşık bir buzdolabı büyüklüğünde) 2 kilowatt-saatten fazla enerji depolayabiliyor. Bu, gerçek bir buzdolabını bir gün boyunca çalıştırmaya yetecek kadar enerji demek oluyor.

Piller daha yüksek enerji yoğunluğuna sahipken, ec³ prensip olarak döşemelerden ve duvarlardan kubbelere ve tonozlara kadar çok çeşitli mimari unsurlara doğrudan entegre edilebilir ve yapının kendisi kadar uzun süre dayanabilir.

Masic, “Antik Romalılar beton yapımında büyük ilerlemeler kaydettiler. Pantheon gibi devasa yapılar bugün bile takviye olmadan ayakta duruyor. Malzeme bilimini mimari vizyonla birleştirme ruhunu sürdürürsek, ec³ gibi çok fonksiyonlu betonlarla yeni bir mimari devrimin eşiğinde olabiliriz.” diyor.

Ekip, Roma mimarisinden ilham alarak, yapısal formun nasıl kullanılabileceğini göstermek amacıyla minyatür bir ec³ kemeri inşa etti.

Enerji depolama sistemleri birlikte çalışabilir. 9 volt ile çalışan kemer, kendi ağırlığını ve ek yükü taşırken bir LED ışığı da besliyordu, ancak kemer üzerindeki yük arttığında benzersiz bir şey oldu: Işık titredi. Bu muhtemelen stresin elektrik kontaklarını veya yük dağılımını etkileme biçiminden kaynaklanıyor.

Masic, “Burada bir tür kendi kendini izleme kapasitesi olabilir. Bir ec³ kemerini mimari ölçekte düşünürsek, yüksek rüzgârlar gibi bir stres faktöründen etkilendiğinde çıkışı dalgalanabilir. Bunu, bir yapının ne zaman ve ne ölçüde stres altında olduğunu gösteren bir sinyal olarak kullanabilir veya genel sağlığını gerçek zamanlı olarak izleyebiliriz.” diye öngörüyor.

Ec³ teknolojisindeki son gelişmeler, onu gerçek dünya ölçeklenebilirliğine bir adım daha yaklaştırıyor. Isı iletkenliği özellikleri nedeniyle Japonya’nın Sapporo kentinde kaldırım döşemelerini ısıtmak için zaten kullanılmıştı, tuzlamaya potansiyel bir alternatif oluşturuyor.

Stefaniuk, “Bu daha yüksek enerji yoğunlukları ve daha geniş bir uygulama alanında gösterilen değerle, artık kalıcı enerji sorunlarının geniş bir yelpazesini ele almamıza yardımcı olabilecek güçlü ve esnek bir araca sahibiz. En büyük motivasyonlarımızdan biri, yenilenebilir enerji geçişini mümkün kılmaya yardımcı olmaktı. Örneğin, güneş enerjisi verimlilik açısından çok yol kat etti, ancak yalnızca yeterli güneş ışığı olduğunda enerji üretebilir. Dolayısıyla, soru şu oluyor: Gece veya bulutlu günlerde enerji ihtiyaçları nasıl karşılanacak?” diyor.

EC³ Hub eş direktörü ve CEE profesörü Franz-Josef Ulm, “Cevap, enerjiyi depolamanın ve serbest bırakmanın bir yoluna ihtiyacınız olmasıdır. Bu genellikle,  kıt veya zararlı malzemelere dayanan bir pil anlamına geliyordu. EC³ün, binalarımızın ve altyapımızın enerji depolama ihtiyaçlarımızı karşılamasına olanak tanıyan uygulanabilir bir alternatif olduğuna inanıyoruz.” dedi.

Ekip, elektrikli araçları şarj edebilecek park alanları ve yolların yanı sıra tamamen şebekeden bağımsız çalışabilen evler gibi uygulamalar üzerinde çalışıyor.

Cornell Üniversitesinde tasarım teknolojisi ve malzeme bilimi ve mühendisliği doçenti ve eski bir EC³ Hub araştırmacısı olan James Weaver, makalenin ortak yazarlarından biri olarak şunları söylüyor: “Bizi en çok heyecanlandıran şey, beton gibi kadim bir malzemeyi alıp tamamen yeni bir şey yapabileceğini göstermiş olmamız. Modern nanobilimi, uygarlığın kadim bir yapı taşıyla birleştirerek sadece yaşamlarımızı desteklemekle kalmayıp, onlara güç veren bir altyapıya kapı açıyoruz.” dedi.

Kaynak: https://techxplore.com/news/2025-10-concrete-battery-power.html#google_vignette