El dispositivo que podría convertir a los edificios en sistemas de almacenamiento de energía

Un equipo de investigadores desarrolló un supercondensador a base de cemento imprimible en 3D que permite almacenar energía sin comprometer la resistencia estructural de las construcciones. El hallazgo abre la posibilidad de que los edificios dejen de ser solo estructuras pasivas y se conviertan en sistemas de almacenamiento de energía limpia, una alternativa frente al problema que enfrentan las fuentes renovables para conservar la electricidad que generan.

“Si los materiales de construcción pudieran no solo sostener estructuras, sino también almacenar energía, detectar su entorno e incluso interactuar con las personas, los edificios se convertirían en algo más que refugios pasivos. Podrían transformarse en verdaderos entornos inteligentes”, afirmó Jing Zhong, investigadora del Instituto de Tecnología de Harbin, en China, coautora del estudio.

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Los paneles solares y las turbinas eólicas generan grandes cantidades de energía limpia, pero conservarla de forma local suele requerir bancos de baterías pesados y costosos. Los supercondensadores ofrecen una alternativa: almacenan y liberan energía con rapidez sin depender de reacciones químicas lentas y soportan millones de ciclos de carga.

Al incorporar estos dispositivos en losas de cimentación o escaleras, las estructuras pueden almacenar la energía solar captada durante el día y liberarla de manera instantánea cuando se necesita. Este enfoque transforma el concreto de carga en un sistema activo de almacenamiento de energía y reduce la dependencia de instalaciones externas de baterías.

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Los dispositivos anteriores basados en cemento presentaban una baja resistencia mecánica en sus interfaces y un transporte lento de iones a través del material, limitaciones que el nuevo diseño buscó superar.

El equipo logró resolver esos problemas mediante la mezcla de nanotubos de carbono, negro de carbono y cemento para crear una tinta altamente conductora y apta para impresión. Con una impresora 3D, depositaron la mezcla sobre losas de concreto en un patrón entrelazado, similar a dedos entrecruzados.

Durante el proceso de hidratación del cemento se formaron poros microscópicos llenos de agua en toda la matriz del material. Estos poros generaron canales de alta velocidad que permiten el desplazamiento de iones cargados entre los electrodos con una resistencia mínima, un factor clave para mejorar el rendimiento del dispositivo.

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Las pruebas realizadas por el equipo confirmaron que la losa energética conserva una resistencia a la compresión comparable con la del concreto comercial utilizado habitualmente en la construcción. Para comprobar su aplicación práctica, los investigadores conectaron tres dispositivos impresos sobre una misma losa, que logró encender de forma instantánea un conjunto de luces LED.

A corto plazo, la tecnología podría utilizarse para alimentar iluminación de emergencia, sensores de seguridad o redes de monitoreo de la salud estructural de los edificios durante cortes de electricidad, sin necesidad de cableado externo.

Según el estudio, el supercondensador de concreto ofrece una densidad de energía de 22,52 microvatios-hora por centímetro cuadrado y entrega 0,49 miliwatts por centímetro cuadrado en un rango operativo de 1,0 voltio. Al mismo tiempo, el material resiste 23 megapascales de fuerza de compresión, un valor equivalente al estándar de resistencia exigido para el concreto estructural utilizado en edificaciones.

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Estos resultados confirman que los materiales de construcción pueden funcionar simultáneamente como unidades de generación de energía sin perder su capacidad de soportar cargas pesadas.

Pese a los resultados favorables, la tecnología presenta limitaciones. El supercondensador de cemento funciona con normalidad bajo condiciones moderadas de calentamiento y enfriamiento, pero su rendimiento disminuye de forma notable cuando la temperatura desciende hasta -18 grados Celsius (-0,4 grados Fahrenheit). El frío extremo congela el movimiento de los iones dentro de los poros hidratados, lo que reduce la salida de energía del dispositivo.

Fortalecer el material para que resista condiciones de invierno severas constituye, según el equipo, el principal desafío antes de su aplicación comercial. Zhong señaló que la carga constante a partir de fuentes renovables permite que estos supercondensadores de concreto satisfagan necesidades específicas de energía en los edificios mediante ciclos continuos de almacenamiento y liberación, lo que representa una vía viable para que las estructuras complementen su propio suministro eléctrico.