BIOAKTIV CEMENT ER IKKE LÆNGERE BLOT SCIENCE FICTION

Cement står for langt størstedelen af betons CO2-aftryk, men måske vi fremadrettet skal til at betragte cement med helt nye øjne. Lige nu arbejder forskere ved Aarhus Universitet nemlig på, hvorledes man kan lave betonkonstruktioner om til energilagre. Ved at blande energiproducerende mikroorganismer i cement har de således skabt et levende superkondensatormateriale, der kan lagre strøm og endda gendanne sin kapacitet. En teknologi, der kan bane vejen for selvforsynende bygninger og infrastruktur.

I en tid, hvor såvel cement- som betonbranchen arbejder på, hvorledes man kan begrænse cementens CO2-aftryk, er den gode nyhed, at den indsats er fint i tråd med forskernes arbejde. I hvert fald, hvis man skal tro postdoc og lektor Qi Luo, der står i spidsen for studiet, som er blevet døbt "Living Microbial Cement Supercapacitors with Reactivatable Energy Storage”. På sigt ser han en række muligheder for at forbedre konceptet.

KLAR TIL FREMTIDENS CEMENTTYPER

”Cement- og betonindustrien gennemgår en hastig omstilling frem mod løsninger med lavere CO2-aftryk. Det sker blandt andet gennem brug af brug af alternative bindersystemer med diverse cementerstatninger (SCM). Den kontekst er vigtig for, hvordan vi ser på vores koncept, men i princippet er idéen om en levende, mikrobiel cementsuperkondensator ikke knyttet til én specifik cementtype,” siger Qi Luo.

Han fortæller videre, at man for nærværende dog primært arbejder med kendte og afprøvede cementtyper som proof-of-concept, idet det giver et kontrolleret og reproducerbart miljø i studiet af samspillet mellem cementen og de elektroaktive mikroorganismer. Det afgørende for konceptet er imidlertid ikke klinkerindholdet i sig selv, men det lokale mikromiljø inde i cementen såsom porestruktur, pH-værdi, fugtighed og ionisk sammensætning.

UNDERSTØTTER CO2-DAGSORDENEN

”Disse parametre kan i princippet justeres gennem receptdesign og materialeteknisk udvikling, også i cement med reduceret klinkerindhold eller alternative bindemidler. Fra vores perspektiv er den igangværende udvikling af cement med lavere CO2-aftryk derfor ikke en begrænsning, men snarere en mulighed. Ændringer i kemi og mikrostruktur, som introduceres af SCM’er eller nye bindemidler, kan endda åbne nye veje for design af cement, der både er mere bæredygtig og mere kompatibel med funktionelle, levende komponenter,” forklarer Qi Luo videre.

I stedet for at blive udviklet isoleret understreger han derfor vigtigheden af, at man i forskningen undersøger, hvorledes energilagrende funktionalitet kan designes til at fungere sammen med nye cementteknologier, der byder på et lavere CO2-aftryk. Han understreger samtidig, at der langt fra blot er tale om et eksperiment, som aldrig vil forlade laboratoriet. Han har således store forventninger til fremtiden.

BEHOVET FOR ENERGI ER STIGENDE

”Vi ser for os, at bioaktiv cement kan integreres i bygninger, vægge, fundamenter samt broer og levere lokal energilagring, der understøtter solceller og andre vedvarende kilder. Forestil dig et almindeligt rum bygget med denne type cement. Selv med en beskeden energitæthed kan væggene alene lagre omkring 10 kilowatt timer,” uddyber Qi Luo.

Teknologien er stadig på forsøgsstadiet, men forskningsresultaterne åbner et nyt kapitel i udviklingen af fremtidens byggeri i form af husfacader, der fungerer som batterier, broer, der kan overvåge og strømforsyne egne sensorer samt infrastruktur der lever med og leverer energi. Behovet for store, billige og bæredygtige energilagre stiger i takt med overgangen til sol og vind, men konventionelle batterier er dyre samtidig med, at de kræver sjældne ressourcer som lithium samt kobolt.

BAKTERIER VIRKER SOM OPLADER

I studiet benytter forskerne bakterien Shewanella Oneidensis, der er en mikroorganisme, som kan overføre elektroner til sine omgivelser via såkaldt extracellulær elektrontransport og dermed gør cement til et levende energilager i form af en biohybrid superkondensator med overraskende høj kapacitet samt evnen til at gendanne sig selv over tid.

”Materialet er i stand til at genskabe sin kapacitet, når vi fodrer det. Bakterierne i cementen mister gradvist aktivitet over tid, for eksempel hvis de mangler næring eller udsættes for kulde. Derfor har vi designet et integreret mikronetværk, som kan injicere næringsvæske og dermed genoplive systemet. Næringsvæsken indeholder proteiner, vitaminer, salte og vækstfaktorer og kan holde bakterierne aktive, selv når de er indbygget i en konstruktion,” forklarer Qi Luo.

BATTERI MED NÆSTEN EVIGT LIV

Resultatet er, at op til 80 procent af den oprindelige kapacitet kan genskabes. I praksis betyder det, at man potentielt kan skabe energimaterialer, der langt hen ad vejen restituerer sig selv og løbende vedligeholder deres funktion helt. Forskerne har desuden testet cementen i hårde betingelser. Selv ved frysepunktet og ved høje temperaturer bevarer biocementen en vis evne til at lagre strøm.

Når bakterierne er indlejret i cementen, danner de et netværk af ladningsbærere, der både kan lagre og afgive elektrisk energi. Allerede på dette tidlige forskningsstadie viser materialet en ydeevne, der overgår termiske energilagringssystemer, hvilket peger på et lovende potentiale for den videre udvikling. Forskerne har altså udfordret opfattelsen af cement som et inaktivt, strukturelt materiale ved at skabe en levende energienhed gennem udvikling af en mikrobiel cementsuperkondensator.