Neben der Stromerzeugung birgt es das Potenzial, zur Überwachung von Schäden an der Struktur von Bauwerken oder zur Beobachtung der Auswirkungen von Phänomenen wie Erdbeben auf Gebäude eingesetzt zu werden.
Wissenschaftler der Universität Pittsburgh (Pitt) in Pennsylvania (USA) wollen Beton mit einem Metamaterial – einem heterogenen Satz künstlicher Materialien mit besonderen elektromagnetischen Eigenschaften – auf ein neues Niveau heben, um intelligente Infrastrukturen zu entwickeln.
In ihrer Forschung stellen sie ein neues Konzept für leichte und mechanisch verstellbare Betonsysteme vor, die über die interne Funktionalität verfügen, Energie zu erkennen, zu erzeugen und zu sammeln.
„Der massive Einsatz von Beton in unseren Infrastrukturprojekten erfordert die Entwicklung einer neuen Generation von Betonwerkstoffen, die wirtschaftlicher und umweltverträglicher sind und gleichzeitig fortschrittliche Funktionalitäten bieten. Wir können all diese Ziele erreichen, indem wir ein Metamaterial-Paradigma in die Entwicklung von Baustoffen einführen“, erklärte Amir Alavi, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Universität Pittsburgh, in einer offiziellen Stellungnahme.
So wird Strom erzeugt
Es ist nicht das erste Mal, dass diese Forschergruppe mit Metamaterialien arbeitet; sie verwendeten sie bereits für Zahnimplantate. Diesmal nutzten sie das Material jedoch, um einen hochgradig anpassungsfähigen Beton zu entwickeln, da Eigenschaften wie Sprödigkeit, Flexibilität und Form verändert werden können. Dadurch können Bauherren weniger Material verwenden, ohne Einbußen bei Festigkeit oder Langlebigkeit hinnehmen zu müssen.
Dieses Metamaterial besteht aus einem Netzwerk verstärkter auxetischer Polymere in einer leitfähigen Zementmatrix. Die Forscher haben diese Matrix mit Graphitpulver angereichert; sie bildet die Elektrode. Durch einen mechanischen Auslöser oder einen Nanogenerator kann über den Kontakt zwischen den Schichten eine elektrische Ladung erzeugt werden. Anders ausgedrückt: Das Material kann seine eigene elektrische Ladung erzeugen.
Es kann noch nicht genug Strom erzeugen, um Energie in das Stromnetz einzuspeisen, aber die Wissenschaftler erzeugen genug Energie, um in die Straßen eingebettete Sensoren zu betreiben, darunter auch zukünftige Sensoren, die autonome Fahrzeuge unterstützen sollen, wenn die GPS-Signale zu schwach sind oder die LIDAR-Technologie nicht funktioniert.
Neben der Stromerzeugung bietet es das Potenzial, Schäden an Bauwerken zu überwachen oder die Auswirkungen von Phänomenen wie Erdbeben auf Gebäude zu beobachten. Darüber hinaus lässt sich das Metamaterial selbst physikalisch an jede Konstruktion anpassen, indem seine Flexibilität, Form und Sprödigkeit verändert werden.
Laut Tests der Forscher konnte es um bis zu 15 % komprimiert werden, wobei seine strukturelle Integrität erhalten blieb und es 330 μW Leistung erzeugte.
„Dieses Projekt präsentiert den ersten Verbundmetamaterialbeton mit Superkompressibilität und Energiegewinnungseigenschaften. Diese leichten, mechanisch anpassbaren Betonsysteme können den Weg für den Einsatz von Beton in verschiedenen Anwendungen ebnen, beispielsweise als stoßdämpfende Baustoffe an Flughäfen zur Abbremsung außer Kontrolle geratener Flugzeuge oder in seismischen Basisisolationssystemen“, bemerkt Alavi.
Skalierbare Nutzung
An dem Projekt, das das Material für verschiedene Zwecke einsetzt, sind Wissenschaftler der Johns Hopkins University, der New Mexico State University, des Georgia Institute of Technology, des Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems (in China) und der Swanson School of Engineering der Universität Pittsburgh beteiligt. Ziel ist es, weitere Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten für das Material zu entwickeln.
Sie weisen sogar darauf hin, dass dieser von ihnen entwickelte multifunktionale Beton zu einem weit verbreiteten Bestandteil der Infrastruktur werden könnte, da er „skalierbar und kostengünstig ist und seinen Betrieb durch die Gewinnung grüner Energie aufrechterhalten kann“. Zumindest behaupten sie das in ihrer Forschungsarbeit mit dem Titel „Integrierte Metamaterial-Betonsysteme mit multifunktionalen Nanogeneratoren für intelligente zivile Infrastruktur“, die in der Fachzeitschrift Advanced Materials.
Trotz des Potenzials dieses Betons für die Schaffung intelligenter, energieautarker Infrastrukturen weisen die Forscher in ihrer Studie auf die Notwendigkeit groß angelegter Tests zur Produktverbesserung hin. Sie geben außerdem an, dass weitere Forschung erforderlich ist, um das in den energieerzeugenden Nanogenerator integrierte Material vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Nässe und Temperaturschwankungen zu schützen.
Das Forschungsteam arbeitet jedoch bereits mit dem Verkehrsministerium von Pennsylvania (PennDOT) zusammen, um dieses Betonmetamaterial zu entwickeln, mit dem Ziel, es künftig auf den Straßen Pennsylvanias einzusetzen.
Quelle: https://www.elespanol.com/
