Asger Risom
Forscher haben gewöhnlichen Beton in einen massiven Energiespeicher-Superkondensator verwandelt, indem sie Zement und Wasser mit leitfähigem Ruß mischen. Der hydrophobe Ruß bildet in der aushärtenden Platte ein mikroskopisches elektrisches Netzwerk, wodurch Gebäudefundamente und Fahrbahnbeläge Solarenergie speichern können, ohne auf knappe, brennbare Lithiumbatterien angewiesen zu sein.
Wer ein Haus nach Sonnenuntergang mit Solarenergie versorgen möchte, hat bisher nur begrenzte Möglichkeiten. Entweder investiert man Tausende von Euro in ein wandmontiertes Lithium-Ionen-Akkupaket oder verlässt sich auf ein regionales Stromnetz, das bei Spitzenlasten wahrscheinlich Erdgas verbrennt. Lithiumbatterien funktionieren zwar gut, sind aber teuer, benötigen stark abgebaute Mineralien wie Nickel und Kobalt und bergen ein geringes, aber ständiges Brandrisiko.
Ein Team von Materialwissenschaftlern des MIT hat eine radikal einfache Alternative entwickelt: Man kauft keine separaten Batterien mehr, sondern verwandelt das Betonfundament unter dem Haus in eine solche.
Durch die Kombination des weltweit häufigsten Baumaterials mit Wasser und einer Prise Industrieruß haben die Forscher gewöhnlichen Beton in einen robusten Superkondensator verwandelt. Das Ergebnis ist ein Energiespeichersystem, das aus dem sprichwörtlichen Dreck und Stein besteht, der die Wände trägt, und das den Strombedarf eines ganzen Tages speichern kann, ohne einen einzigen Tropfen giftiger Säure.
Wie Ruß einen mikroskopischen Schaltkreis bildet
Um zu verstehen, wie ein Betonblock elektrische Ladung speichert, muss man sich ansehen, was beim Trocknen passiert.
Wenn man Wasser mit Zementpulver mischt, reagiert das Wasser mit den Mineralien und bildet ein aushärtendes kristallines Gitter. Während der Beton aushärtet, bewegt sich das Wasser durch mikroskopische Kanäle und Poren, verdunstet langsam oder wird in die chemische Reaktion aufgenommen.
Die Forscher erkannten, dass sie diese Wasserwege nutzen konnten. Als sie Ruß – ein ultrafeines, hochleitfähiges Pulver aus unverbranntem Erdöl oder Pflanzenmaterial, das historisch als schwarzes Pigment verwendet wurde – hinzufügten, geschah etwas Bemerkenswertes. Da Ruß hydrophob ist, meidet er Wasser. Als der aushärtende Zement das Wasser in verzweigte Kanäle drückte, wurden die Kohlenstoffpartikel mitgerissen.
Wie in der im Fachmagazin PNAS veröffentlichten Forschungsarbeit des Teams detailliert beschrieben, bildet der Ruß ein ununterbrochenes, fraktalartiges Netzwerk leitfähiger Drähte, das sich durch jeden Kubikmillimeter der Platte zieht. Anstelle eines inerten Gesteinsblocks wird der ausgehärtete Beton zu einer elektrochemisch aktiven Matrix, die mit mikroskopischen Autobahnen gefüllt ist.
Die Kraft der physikalischen Statik
Im Gegensatz zu einer typischen chemischen Batterie, die Strom durch langsame, abbauende chemische Reaktionen erzeugt, funktioniert dieser Beton als Superkondensator.
Superkondensatoren erzeugen keinen Strom chemisch. Sie speichern ihn physikalisch, wie statische Elektrizität an einem Ballon. Wenn zwei Platten aus kohlenstoffhaltigem Beton durch eine isolierende Barriere getrennt und in einem einfachen Salzelektrolyten wie Kaliumchlorid getränkt werden, zieht elektrische Spannung geladene Ionen direkt auf die immense innere Oberfläche des Kohlenstoffnetzwerks.
Da Superkondensatoren auf physikalischer Ladung statt auf chemischen Bindungen basieren, laden und entladen sie sich nahezu augenblicklich. Sie leiden nicht unter dem chemischen Verschleiß, der eine Telefonbatterie nach drei Jahren unbrauchbar macht; sie können Hunderttausende von Ladezyklen durchlaufen, ohne sich zu verschlechtern.
Der größte historische Nachteil von Superkondensatoren war immer die Energiedichte – sie speichern im Allgemeinen weitaus weniger Gesamtenergie als eine Lithium-Ionen-Zelle gleichen Gewichts. Doch wenn die Batterie ein ganzes Hausfundament ist, spielt das Gewicht keine Rolle mehr. Laut MIT News könnte ein Standardfundamentblock von etwa 45 Kubikmetern dieses Materials ungefähr 10 Kilowattstunden Strom speichern – genug, um einen durchschnittlichen Haushalt 24 Stunden lang zu versorgen.
Der strukturelle Kompromiss
Die eigentliche technische Herausforderung besteht nicht darin, den Beton elektrisch leitfähig zu machen; es geht darum, zu verhindern, dass das Dach einstürzt.
Ruß verleiht keine strukturelle Festigkeit. Je mehr Ruß man der Mischung hinzufügt, um die elektrische Speicherung zu erhöhen, desto schwächer wird der Beton. In ersten Tests führte das Hinzufügen von zu viel Kohlenstoff zu einer spröden und porösen Betonmischung.
Das MIT-Team fand einen optimalen Punkt bei etwa 3 Volumenprozent Ruß. Bei dieser Konzentration behält der Beton genügend Druckfestigkeit, um die architektonischen Bauvorschriften für Wohnfundamente problemlos zu erfüllen, während er gleichzeitig genügend elektrische Kapazität aufweist, um als funktionale Hausbatterie zu dienen.
Die Anwendung geht weit über Vorstadtkeller hinaus. Bauingenieure prüfen bereits die Integration dieses Materials in die Autobahninfrastruktur, um Fahrbahnoberflächen zu schaffen, die fahrende Elektrofahrzeuge über induktive Spulen, die direkt im Belag eingebettet sind, drahtlos aufladen könnten.
Wir gingen im letzten Jahrzehnt davon aus, dass die Energiewende den Abbau exotischer Metalle tief in der Erde erfordert. Es stellt sich heraus, dass der einfachste Weg zur Energiespeicherung möglicherweise im Kies und Ruß unter unseren Füßen liegt.
