นักวิจัย MIT อัปเกรด 'คอนกรีตแบตเตอรี่' รุ่นใหม่ เก็บพลังงานได้มากกว่าเดิม 10 เท่า ปูทางสู่บ้านและถนนที่มีพลังงานในตัวเอง

จะเกิดอะไรขึ้นถ้ากำแพงบ้าน ทางเท้า หรือสะพานที่เราใช้กันอยู่ทุกวัน สามารถเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้าได้? นี่ไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์อีกต่อไป เมื่อทีมนักวิจัยจาก MIT ได้พัฒนาคอนกรีตชนิดใหม่ที่ทำหน้าที่เป็น 'แบตเตอรี่' หรือ Supercapacitor ได้สำเร็จ และล่าสุดยังเพิ่มความจุพลังงานได้สูงกว่าเดิมถึง 10 เท่า เปิดประตูสู่ยุคใหม่ที่โครงสร้างพื้นฐานสามารถผลิตและกักเก็บพลังงานได้ในตัวเอง

คอนกรีตนำไฟฟ้าตัวนี้มีชื่อว่า ec3 (electron-conducting carbon concrete) เกิดจากการผสมซีเมนต์, น้ำ, คาร์บอนแบล็ก (Carbon Black) ที่มีอนุภาคระดับนาโน และสารอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) เข้าด้วยกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือ 'เครือข่ายนาโนนำไฟฟ้า' (Conductive Nanonetwork) ที่แทรกซึมอยู่ภายในเนื้อคอนกรีต ทำให้โครงสร้างต่างๆ ที่สร้างจากวัสดุนี้สามารถกักเก็บและปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้าได้ ไม่ต่างจากแบตเตอรี่ยักษ์ที่อยู่รอบตัวเรา

เบื้องหลังการพัฒนาที่เพิ่มความจุขึ้น 10 เท่า

ในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร PNAS ฉบับล่าสุด ทีมนักวิจัยจาก MIT ได้เปิดเผยว่า การปรับปรุงสูตรของสารอิเล็กโทรไลต์และกระบวนการผลิตใหม่ ทำให้ ec3 รุ่นล่าสุดมีประสิทธิภาพในการเก็บพลังงานสูงขึ้นอย่างก้าวกระโดด

หากย้อนไปในปี 2023 การจะเก็บพลังงานให้เพียงพอต่อการใช้งานในบ้านหนึ่งหลังตลอดทั้งวัน จะต้องใช้คอนกรีต ec3 ปริมาณถึง 45 ลูกบาศก์เมตร (เทียบเท่ากับคอนกรีตที่ใช้สร้างห้องใต้ดินขนาดกลาง) แต่ด้วยการพัฒนาล่าสุด ปริมาณคอนกรีตที่ต้องใช้ลดลงเหลือเพียง 5 ลูกบาศก์เมตร หรือเทียบเท่ากับกำแพงห้องใต้ดินเพียงด้านเดียวเท่านั้น

Admir Masic หัวหน้าทีมวิจัยและรองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมที่ MIT กล่าวว่า 'หัวใจสำคัญของคอนกรีตที่ยั่งยืนคือการพัฒนา 'คอนกรีตอเนกประสงค์' (Multifunctional Concrete) ที่รวมฟังก์ชันต่างๆ เข้าไว้ด้วยกัน ไม่ว่าจะเป็นการเก็บพลังงาน การซ่อมแซมตัวเอง หรือการดักจับคาร์บอน ในเมื่อคอนกรีตเป็นวัสดุก่อสร้างที่ใช้กันมากที่สุดในโลกอยู่แล้ว ทำไมเราไม่ใช้ประโยชน์จากขนาดมหาศาลของมันเพื่อสร้างคุณค่าด้านอื่น ๆ ขึ้นมาล่ะ?'

ความสำเร็จครั้งนี้เกิดจากความเข้าใจอย่างลึกซึ้งต่อโครงข่ายคาร์บอนนาโนภายใน ec3 ทีมวิจัยใช้เทคนิค FIB-SEM tomography ซึ่งเป็นการใช้ลำไอออนบีมตัดเนื้อวัสดุออกทีละชั้นบางๆ แล้วใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่องกราดถ่ายภาพ ทำให้สามารถสร้างแบบจำลอง 3 มิติของโครงข่ายนำไฟฟ้าขึ้นมาได้ในความละเอียดสูงสุด และค้นพบว่ามันมีลักษณะคล้าย 'ใยแมงมุม' ที่ล้อมรอบรูพรุนในคอนกรีต ซึ่งเป็นช่องทางให้สารอิเล็กโทรไลต์แทรกซึมเข้าไปและทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้

ด้วยความเข้าใจใหม่นี้ ทีมวิจัยได้ทดลองกับสารอิเล็กโทรไลต์หลายชนิด และพบว่าแม้แต่ 'น้ำทะเล' ก็สามารถนำมาใช้ได้ ซึ่งอาจเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในพื้นที่ชายฝั่งทะเล เช่น โครงสร้างของฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่ง

อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อทีมวิจัยเปลี่ยนไปใช้อิเล็กโทรไลต์แบบออร์แกนิก ซึ่งทำให้คอนกรีต ec3 ปริมาณ 1 ลูกบาศก์เมตร (ขนาดประมาณตู้เย็น) สามารถเก็บพลังงานได้มากกว่า 2 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) ซึ่งเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้ตู้เย็นทำงานได้ตลอดทั้งวัน

ศักยภาพที่มากกว่าแค่การเก็บพลังงาน

แม้ความหนาแน่นของพลังงานจะยังไม่สูงเท่าแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม แต่จุดเด่นของ ec3 คือมันสามารถผนวกรวมเข้ากับสถาปัตยกรรมได้ทุกรูปแบบ ตั้งแต่พื้น ผนัง ไปจนถึงโครงสร้างทรงโดม และมีอายุการใช้งานยาวนานเท่ากับตัวอาคาร

เพื่อสาธิตแนวคิดนี้ ทีมวิจัยได้สร้างโครงสร้างโค้ง (Arch) ขนาดเล็กจาก ec3 และพบว่ามันสามารถรับน้ำหนักตัวเองและน้ำหนักที่กดทับ พร้อมกับจ่ายไฟ 9 โวลต์ให้กับหลอดไฟ LED ได้ในเวลาเดียวกัน

แต่สิ่งที่น่าทึ่งกว่านั้นคือ เมื่อเพิ่มแรงกดทับลงบนโครงสร้างโค้ง แสงไฟ LED จะเกิดการ 'กะพริบ' ซึ่งอาจเกิดจากแรงกดที่ส่งผลต่อการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าภายในวัสดุ Masic มองเห็นศักยภาพในจุดนี้ว่า 'มันอาจมีความสามารถในการตรวจสอบตัวเอง (Self-monitoring) ลองนึกภาพโครงสร้างโค้งขนาดใหญ่ที่ทำจาก ec3 เมื่อมีแรงลมพัดแรงๆ พลังงานที่จ่ายออกมาอาจผันผวน เราอาจใช้สัญญาณนี้เพื่อตรวจจับได้ว่าโครงสร้างกำลังเผชิญกับความเค้นมากน้อยเพียงใด หรือใช้ติดตามสุขภาพของโครงสร้างได้แบบเรียลไทม์'

สู่อนาคตที่โครงสร้างพื้นฐานมีชีวิต

การพัฒนาล่าสุดนี้ทำให้เทคโนโลยี ec3 เข้าใกล้การใช้งานจริงมากขึ้น ก่อนหน้านี้เคยมีการนำไปใช้ทำแผ่นพื้นทางเท้าที่เมืองซัปโปโร ประเทศญี่ปุ่น เพื่อสร้างความร้อนละลายหิมะมาแล้ว

Franz-Josef Ulm ผู้อำนวยการร่วมของศูนย์วิจัย EC³ Hub กล่าวว่า 'เป้าหมายหลักของเราคือการสนับสนุนการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานหมุนเวียน พลังงานแสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้าได้เฉพาะตอนกลางวัน คำถามคือแล้วเราจะใช้ไฟฟ้าตอนกลางคืนหรือในวันเมฆมากได้อย่างไร คำตอบคือการกักเก็บพลังงาน ซึ่งปกติแล้วต้องพึ่งพาแบตเตอรี่ที่ใช้วัสดุหายาก เราเชื่อว่า ec3 คือทางเลือกที่ยอดเยี่ยม โดยให้อาคารและโครงสร้างพื้นฐานของเราทำหน้าที่เก็บพลังงานได้เอง'

ทีมวิจัยกำลังตั้งเป้าไปที่การใช้งานในอนาคต เช่น ลานจอดรถและถนนที่สามารถชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าได้แบบไร้สาย หรือบ้านที่สามารถผลิตและเก็บพลังงานไว้ใช้เองได้อย่างสมบูรณ์ (Off-grid)

James Weaver หนึ่งในทีมวิจัยสรุปทิ้งท้ายไว้อย่างน่าสนใจว่า 

สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือ เราได้นำวัสดุที่เก่าแก่เหมือนเช่นคอนกรีต มาทำให้มันสามารถทำในสิ่งใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อน การผสมผสานนาโนศาสตร์สมัยใหม่เข้ากับองค์ประกอบพื้นฐานของอารยธรรมมนุษย์ กำลังเปิดประตูสู่โลกที่โครงสร้างพื้นฐานไม่ได้เป็นเพียงสิ่งที่ค้ำจุนชีวิตเรา แต่ยังเป็นขุมพลังให้กับชีวิตเราอีกด้วย

ที่มา: News MIT