Naast de opwekking van elektriciteit kan het ook worden gebruikt om schade aan de constructie van gebouwen te monitoren of om de impact van verschijnselen zoals aardbevingen op gebouwen te meten.
Wetenschappers van de Universiteit van Pittsburgh (Pitt) in Pennsylvania (Verenigde Staten) willen beton naar een hoger niveau tillen met een metamateriaal – een heterogene verzameling kunstmatige materialen met bijzondere elektromagnetische eigenschappen – voor de ontwikkeling van slimme infrastructuren.
In hun onderzoek presenteren ze een nieuw concept voor lichtgewicht en mechanisch verstelbare betonsystemen die intern de mogelijkheid bieden om energie te detecteren, op te wekken en op te vangen.
"Het massale gebruik van beton in onze infrastructuurprojecten vereist de ontwikkeling van een nieuwe generatie betonmaterialen die economischer en milieuvriendelijker zijn, maar tegelijkertijd geavanceerde functionaliteiten bieden. We kunnen al deze doelen bereiken door een metamateriaalparadigma te introduceren in de ontwikkeling van bouwmaterialen", aldus Amir Alavi, universitair docent civiele en milieutechniek aan de Universiteit van Pittsburgh, in een officiële verklaring.
Zo wordt elektriciteit opgewekt
Dit is niet de eerste keer dat deze onderzoeksgroep met metamaterialen werkt; ze gebruikten ze eerder al in tandheelkundige implantaten. Deze keer hebben ze dit element echter ingezet om een zeer aanpasbaar beton te creëren, omdat eigenschappen zoals broosheid, flexibiliteit en vorm kunnen worden aangepast. Hierdoor kunnen bouwers minder materiaal gebruiken zonder in te leveren op sterkte of duurzaamheid.
Dit metamateriaal bestaat uit een netwerk van versterkte auxetische polymeren in een geleidende cementmatrix, die door onderzoekers is verrijkt met grafietpoeder en die de elektrode vormt; ondertussen kan een mechanische trigger of nanogenerator elektrificatie opwekken door contact tussen de lagen. Met andere woorden, het kan zijn eigen elektrische lading genereren.
Het kan nog niet genoeg elektriciteit opwekken om stroom aan het elektriciteitsnet te leveren, maar wetenschappers genereren wel voldoende energie om sensoren in de weg te laten werken, waaronder toekomstige sensoren die ontworpen zijn om autonome voertuigen te ondersteunen wanneer GPS-signalen te zwak zijn of wanneer LIDAR-technologie niet werkt.
Naast elektriciteitsopwekking kan het materiaal ook worden gebruikt om schade aan de constructie van gebouwen te monitoren of om de impact van verschijnselen zoals aardbevingen op gebouwen te observeren. Bovendien kan het metamateriaal zelf fysiek worden aangepast aan elke constructie, waardoor de flexibiliteit, vorm en broosheid ervan kunnen veranderen.
Volgens tests die door de onderzoekers zijn uitgevoerd, kan het materiaal tot 15% worden samengedrukt met behoud van de structurele integriteit en een vermogen van 330 μW produceren.
"Dit project presenteert het eerste composiet metamateriaalbeton met supercompressibiliteit en energieopwekkingscapaciteiten. Deze lichtgewicht, mechanisch aanpasbare betonsystemen kunnen de weg vrijmaken voor het gebruik van beton in diverse toepassingen, zoals schokabsorberende materialen op luchthavens om oncontroleerbare vliegtuigen af te remmen of seismische basisisolatiesystemen", aldus Alavi.
Schaalbaar gebruik
Het project, dat het materiaal voor diverse toepassingen gebruikt, betreft wetenschappers van Johns Hopkins University, New Mexico State University, het Georgia Institute of Technology, het Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems (in China) en de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh. Daarnaast wordt er gewerkt aan het ontwikkelen van meer eigenschappen en toepassingsmogelijkheden voor het materiaal.
Ze wijzen er zelfs op dat dit multifunctionele beton dat ze hebben ontwikkeld een veelgebruikt onderdeel in de infrastructuur zou kunnen worden, omdat het "schaalbaar en kosteneffectief is en zijn werking kan behouden door middel van het opwekken van groene energie". Althans, dat stellen ze in hun onderzoek getiteld "Integrated Metamaterial Concrete Systems with Multifunctional Nanogenerators for Smart Civil Infrastructure", dat is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.
Ondanks het potentieel van dit beton voor het creëren van slimme, zelfvoorzienende infrastructuur, wijzen de onderzoekers in hun studie op de noodzaak van grootschalige tests om het product te verbeteren. Ze geven ook aan dat verder onderzoek nodig is naar hoe het materiaal dat in de energieopwekkende nanogenerator is geïntegreerd, kan worden geïsoleerd van omgevingsinvloeden zoals vochtigheid, regen en temperatuurschommelingen.
Het onderzoeksteam werkt echter al samen met het ministerie van Transport van Pennsylvania (PennDOT) om dit betonnen metamateriaal te ontwikkelen met als doel het in de toekomst in de wegen van Pennsylvania te gebruiken.
Bron: https://www.elespanol.com/
