Uma casa com uma fundação feita desse material poderá armazenar um dia inteiro de energia produzida por painéis solares ou turbinas eólicas.
[Imagem: Nicolas Chanut et al. - 10.1073/pnas.2304318120]

Bateria de concreto

O laboratório do professor Damian Stefaniuk, no MIT, possui uma instalação inusitada: Uma pilha de cilindros de concreto preto polidos, entrelaçada por fios, sendo banhada em um líquido. Para um observador comum, não parece ter muita função, até que o pesquisador aperta um interruptor. Os fios ligam os blocos de concreto a um diodo emissor de luz (LED) e a lâmpada acende.

Essa bateria de cimento é mais um fruto de uma pesquisa anunciada pela equipe no ano passado, cujo objetivo final é transformar casas e estradas em baterias usando uma mistura de cimento com carbono.

Esse modo de armazenamento de energia não compete com as baterias de lítio, mas pode ser a solução para o armazenamento de energias renováveis, como solar ou eólica, que são tipicamente intermitentes, enquanto a demanda por energia é tipicamente constante.

É aqui que entram Stefaniuk e seu concreto. Ele e seus colegas descobriram uma maneira de criar um dispositivo de armazenamento de energia, conhecido como supercapacitor, a partir de três materiais básicos e baratos: Água, cimento e uma substância parecida com fuligem, chamada negro de fumo, ou negro de carbono.

Baterias de cimento do tamanho de moedas armazenando energia de um pequeno painel solar.
[Imagem: Franz-Josef Ulm/Admir Masic/Yang-Shao Horn]

Supercapacitores

Os supercapacitores são altamente eficientes no armazenamento de energia, mas diferem das baterias em alguns aspectos importantes: Eles podem recarregar muito mais rápido do que uma bateria de íons de lítio, e não sofrem os mesmos níveis de degradação no desempenho com o uso. Mas os supercapacitores também liberam rapidamente a energia que armazenam, tornando-os menos úteis em dispositivos como celulares, computadores ou carros elétricos, em que é necessário um fornecimento constante de energia durante um período prolongado de tempo.

De acordo com Stefaniuk, estes supercapacitores poderiam contribuir de forma significativa para os esforços de descarbonizar a economia global. "Se puder ter sua escala ampliada, esta tecnologia pode ajudar a resolver uma questão importante - o armazenamento de energia renovável," destaca ele, vislumbrando uma série de aplicações para seus supercapacitores.

Uma delas poderia ser criar estradas que armazenem energia solar, e depois liberá-la para recarregar (sem fio) carros elétricos que passem pela estrada. A rápida liberação de energia do supercapacitor de cimento-carbono permitiria que os veículos dessem uma carga rápida em suas baterias.

Outra aplicação seria em fundações de casas, criando uma "bateria estrutural", com "paredes, fundações ou colunas que atuem não só no suporte de uma estrutura, mas também no armazenamento de energia dentro delas," disse Stefaniuk.

Um supercapacitor de cimento de carbono alimentando um dispositivo portátil de jogos.
[Imagem: Damian Stefaniuk]

Bateria estrutural de concreto

Stefaniuk e seus colegas comprovaram inicialmente este conceito criando supercapacitores de 1 volt do tamanho de uma moeda, conectando-os em série para fornecer energia a um LED de 3 volts. Desde então, eles aumentaram a escala para produzir um supercapacitor de 12 volts. Versões maiores do supercapacitor foram capazes de abastecer um console de games portátil.

No momento, o supercapacitor de concreto é capaz de armazenar pouco menos de 300 watts-hora por metro cúbico, o suficiente para abastecer uma lâmpada LED de 10 watts por 30 horas. Pode parecer pouco em comparação com as baterias convencionais, mas "uma fundação com de 30 a 40 metros cúbicos de concreto pode ser suficiente para atender às necessidades diárias de energia de uma casa residencial," justifica Stefaniuk.

E a equipe de pesquisa está planejando justamente construir versões maiores, incluindo uma de até 45 metros cúbicos de tamanho, que seria capaz de armazenar cerca de 10 kWh de energia, que seria o necessário para abastecer uma casa por um dia.

Os pesquisadores estão trabalhando para aumentar a escala do supercapacitor de cimento-carbono para que ele possa ser usado em diversas aplicações.
[Imagem: BBC]

Vantagens e desvantagens dos supercapacitores

Os capacitores são formados por duas placas condutoras com uma membrana entre elas. Neste caso, ambas as placas são feitas de cimento de negro de carbono, que foram embebidas em um sal eletrolítico chamado cloreto de potássio.

O supercapacitor funciona devido a uma propriedade incomum do negro de carbono - ele é altamente condutor. Isso significa que, quando o material é combinado com pó de cimento e água, forma-se um tipo de concreto repleto de redes de material condutor, assumindo uma forma que lembra raízes minúsculas ramificadas.

Quando uma corrente elétrica - vinda de uma fonte renovável, neste caso - é aplicada às placas embebidas em sal, as placas carregadas positivamente acumulam íons carregados negativamente do cloreto de potássio. E como a membrana impede a troca de íons carregados entre as placas, a separação das cargas cria um campo elétrico.

Como os supercapacitores podem acumular grandes quantidades de carga muito rápido, isso poderia tornar os dispositivos úteis para armazenar o excesso de energia produzido por fontes renováveis intermitentes, como as energias eólica e solar.

Mas os supercapacitores não são perfeitos. As versões existentes descarregam rapidamente, e não são ideais para um fornecimento constante de energia, que seria necessária para abastecer uma casa ao longo do dia. Stefaniuk diz que ele e seus colegas estão trabalhando em uma solução que permitiria refinar sua versão de cimento-carbono ajustando a mistura, mas eles só vão divulgar os detalhes após finalizarem os testes e publicarem um novo artigo.

Pode haver ainda outros obstáculos a serem superados - adicionar mais negro de carbono permite que o supercapacitor resultante armazene mais energia, mas também torna o concreto um pouco mais frágil. Os pesquisadores dizem que será necessário encontrar a combinação ideal de negro de carbono para qualquer uso que pressuponha uma função estrutural, assim como de armazenamento de energia.