دانشمندان در سراسر جهان در تلاشند تا برای ذخیره انرژی راهکارهای ابتکاری بیابند. کشف آجرهای هوشمند از طریق استفاده محدود از انرژی تجدیدپذیر به حفظ محیط‌زیست و مقاومت در برابر تغییرات آب و هوایی سریع کمک می‌کند.
چگونگی طراحی آجرهای هوشمند
آجرهای قرمز رایج‌ترین نوع مصالح ساختمانی ارزان‌قیمت هستند که بیش از هزار سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساختمان‌ها و دیوارهای ساخته شده از آجر، فضای زیادی را به خود اختصاص می‌دهند، که این فضا می‌تواند به طور موثری اصلاح شود و با ذخیره انرژی الکتریکی، شبیه به باتری، به صورت متفاوتی استفاده شود.
بسیاری از طراحان و معماران قابلیت آجرهای قرمز را برای جذب و ذخیره گرمای خورشید تصدیق کرده‌اند و این ویژگی به عنوان توده حرارتی (thermal mass) برای حفظ گرمایش و سرمایش مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تیمی متشکل از محققان دانشگاه واشنگتن اثبات مفهومی را در Nature منتشر کردند که بیان می‌کند چگونه یک آجر می‌تواند به طور مستقیم انرژی لازم برای چراغ LED سبز را تامین کند. مقاله آنها نشان داد که چگونه می‌توان آجر قرمز معمولی را به یک دستگاه ذخیره‌کننده انرژی (که به عنوان ابرخازن شناخته می‌شود) تبدیل کرد.
ابرخازن‌ها بر خلاف باتری‌ها که الکتریسیته را از طریق مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند، الکتریسیته را به عنوان بار استاتیک در جامدات ذخیره می‌کند. مزیت اصلی ابرخازن‌ها این است که آنها می‌توانند بسیار سریع‌تر از باتری‌ها شارژ و ریشارژ شوند. آنها همچنین بر خلاف باتری‌ها همیشه بخش کوچکی از انرژی را در خود نگه می‌دارند.
خولیو دی‌آرسی، استادیار شیمی و یکی از نویسندگان این مقاله، گفت روش آنها برای توسعه آجرهای هوشمند می‌تواند به طور موثر بر روی آجرهای معمولی و یا آجرهای بازیافتی نیز استفاده شود. دی‌آرسی همچنین اظهار داشت که تحقیقات آنها بر روی آجرهای خریداری شده از مرکز هوم دیپو (Home Depot) برنت‌وود انجام شده و قیمت هر آجر حدود ۰.۶۵ دلار است.
تبدیل یک آجر معمولی به آجر ذخیره‌کننده انرژی
دانشمندان پوششی را ایجاد کرده‌اند که از پلیمر رسانا PEDOT (سه, چهار- اتیلن دیوکسی‌تیوفن) ساخته شده است. PEDOT از نانوالیاف تشکیل شده است که می‌تواند به شبکه متخلخل داخلی آجر نفوذ کند. این پوشش پلیمری در آجر محصور باقی می‌ماند و به عنوان اسفنج یونی عمل می‌کند که می‌تواند الکتریسیته را در خود ذخیره و اجرا کند. اکسید آهن و یا زنگ آهن، رنگ قرمز را به آجرها می‌دهد.
این اکسید فلز در تحریک واکنش پلیمریزاسیون نقشی اساسی ایفا می‌کند. این واکنش‌ها، آجرهای قرمز را به رنگ آبی تیره تبدیل می‌کند. محققان اظهار داشتند که این آجرهای هوشمند می‌توانند مقدار قابل‌توجهی انرژی را در خود ذخیره نمایند.
همان طور که پیش‌تر گفته شد، دانشمندان از طبیعت متخلخل آجرهای پخته در توسعه این فناوری جدید استفاده می‌کنند. این منافذ پر از نانوالیاف یک پلاستیک رسانا است که می‌تواند بار را ذخیره کند. محققان دانشگاه واشنگتن خوشبین هستند که با افزایش چگالی انرژی آجرهای هوشمند، آنها می‌توانند در آینده جایگزین ارزان قیمتی برای باتریهای لیتیوم-یون ایجاد کنند.
همانطور که در نشریه Nature گزارش شده‌است، در حال حاضر چگالی انرژی اولین آجرهای دخیره‌کننده انرژی ۱ درصد باتریهای لیتیوم-یون است. تیم تحقیقاتی بر این باور است که با اصلاح اکسیدهای فلزی خاص می‌توان این ظرفیت را به ده برابر افزایش داد. با افزایش ظرفیت ذخیره بار آجرها می‌توان از آنها به صورت تجاری استفاده کرد.
مکانیسم آجرهای دخیره‌کننده انرژی:
آجر قرمز می‌تواند پلیمریزاسیون رادیکالی اکسایشی و لایه‌نشانی پوشش نانولیفچه nanofibrillar) PEDOT) را سامان دهد. ویژگی‌های اصلی که آجر پخته را به یک بس‌تر ایده‌آل برای توسعه ابرخازن‌های ایستا و الکترودهای PEDOT الکتروشیمیایی تبدیل می‌کند عبارتند از؛
- استحکام مکانیکی
- میکروساختار
- حدود مقدار 8 درصد وزنی α-Fe2O3
به خاطر ویژگی‌های گفته‌شده آجرهای پخته، یک اپوکسی ۵ دقیقه‌ای که به عنوان ضد آب عمل می‌کند در هنگام غوطه ور شدن زیر آب از عملکرد ابرخازن‌ها پشتیبانی می‌کند. یک الکترولیت ژلی، پایداری سیکل را با نگهداری حدود ۹۰ درصدی ظرفیت خازن به ۱۰ هزار سیکل افزایش می‌دهد.
دانشمندان ادعا می‌کنند که بار ذخیره‌شده توسط نمونه اولیه این آجرها بسیار اندک است در نتیجه، هنگامی که لمس می‌شود فرد هیچ شوکی حس نمی‌کند. با این حال، دیواری که با این از آجرها ساخته می‌شود به یک پوشش عایق نیاز دارد.
مزایای آجرهای هوشمند
آجرهای پوشش‌دهی شده PEDOT می‌توانند انرژی الکتریکی را برای روشنایی اضطراری تامین کنند. دی‌آرسی گفت که حدود ۵۰ آجر دخیره‌کننده انرژی همراه با سلول‌های خورشیدی می‌توانند به مدت پنج ساعت نور اضطراری را تامین نمایند. این دیوارهای آجری پوشش‌دهی شده به عنوان یک ابرخازن عمل می‌کنند و می‌توانند در عرض یک ساعت چندین بار ریشارژ شوند و پیش از اینکه ظرفیت آنها به طور قابل‌توجهی کاهش یابد، ۱۰ هزار بار سیکل را اجرا کنند.
دانشمندان اعتقاد دارند کارهای گسترده و فراوانی در آینده پیش از استفاده تجاری از این آجرها مورد نیاز است.
