Keresik az akkumulátor utódját

Ígéretes jelöltek: nanocsöves ultrakondenzátorok Népszabadság • Szentgyörgyi Zsuzsa • 2008. március 31.

Életünk központjába került a biztonságos energiaellátás. Egyre sokasodnak – nagyon sok embernél mára teljesen nélkülözhetetlenek – a hordozható eszközök, a mobiltelefonoktól kezdve a laptopokig. Remek társak ezek, kitűnően szolgálnak minket – egészen addig, amíg a tápláló akkumulátor ki nem leheli az utolsó töltését.

A hordozható eszközök biztonságos és tartós energiaellátásának megoldása mellett az is mind sürgetőbben felmerülő probléma, hogy mivel és hogyan helyettesíthetjük a kifogyó és amellett a környezetet súlyosan terhelő fosszilis energiahordozókat. Ezért kezdett felfelé ívelni a környezetbarátnak kikiáltott hibrid gépkocsi alkalmazásának a pályája, amelynél a hajtást két motor – a hagyományos belső égésű mellett még egy villamos is – látja el. Az elektromotort tápláló akkumulátor azonban terjedelmes, kényelmesebb és biztonságosabb lenne, ha egyes funkciók ellátását kisebb egységekben lehetne megoldani. Nem meglepő tehát, hogy nagy erőkkel keresik a kutatók a megoldásokat a villamos energia tartós és megbízható tárolására.

A világ első számú műegyetemén, a bostoni MIT-n egy kutatócsoport rendkívül ígéretes lehetőséggel állt elő: a villamos energia tárolására szolgáló, nanocsöveket hasznosító ultrakondenzátorokkal. Mielőtt azonban az alkalmazásokat végignéznénk, tegyünk egy kis kitérőt! Kondenzátorról mindenki hallott, aki elvégezte az általános iskolát. Két fémlap (fegyverzet) között szigetelőanyag van, és ha áramot adnak rá, a töltés felhalmozódik a lemezeken. Az ultrakondenzátor már ifjabb szülötte a technikának: 1966-ban üzemanyagcella-kutatásuk véletlen termékeként szabadalmaztatták a Standard Oil mérnökei. Az “ultra” (van, ahol a “szuper” jelzőt használják) azt jelenti, hogy különleges technológia segítségével a kondenzátor kapacitása akár több nagyságrenddel is megnövelhető. A kapacitást ugyanis – egyebek között – nagymértékben befolyásolja a fegyverzetek felülete, vagyis hogy mennyi töltést képesek felfogni, tárolni. A Standard Oil eljárásának a lényege, hogy a fém- (alumínium-) elektródákat 100 mikrométer vastag aktív szénnel borították, amely, mint egy szivacs, nagyon nagy felületen kötött meg töltést. Jó eszköz, csak az a baj, hogy a porózus aktív szén hajlamos a porladásra, amellett a “ragasztó”-anyagnak, amivel a fémfelülethez kötik, általában nagy a villamos ellenállása.

Mindazonáltal az ultrakondenzátorok egyre népszerűbbé váltak különböző alkalmazásokban. Több előnyük is van. Amíg egy akkumulátort legfeljebb egy-két ezerszer lehet kisütni és újratölteni, az ultrakondenzátorok 500 ezer, sőt egyes típusok akár egymillió ciklust is kibírnak. Nem érzékenyek a nagyon gyors (mikro-, sőt pikoszekundumos) kisütésekre, feltöltésekre. Hosszú, mintegy tíz év az élettartamuk, jó a hőmérséklet-állóságuk, mínusz 40 fokot is kibírnak, voltaképpen teljesen rázás- és rezgésállók, és mivel kémiai reakció nélkül működnek, barátságosabbak a környezethez, mint az elektrolitokat tartalmazó akkumulátorok. Persze semmi sem tökéletes. Egy ultrakondenzátor ugyanis legfeljebb néhány százalékát tudja adni annak a villamos energiának, amit egy azonos méretű akkumulátor tárol. Itt lép a képbe az MIT munkatársainak ötlete: a kondenzátor fegyverzeteinek felülete – és ezáltal a tárolható energia – lényegesen megnövelhető, ha karbon nanocsöveket alkalmaznak. “Ha az aktív szenet a fémfelületre növesztett nanocsövek milliárdjaival helyettesítjük, akkor ez az ultrakondenzátor egy kémiai elven működő, azonos méretű akkumulátor tárolt energiájának a 25, sőt akár 50 százalékát is elérheti” – írja tudományos cikkében Joel Schindall, az MIT kutatócsoport tagja. Ha… Mert a nanocsöves technológia még seregnyi megoldandó feladatot igényel. “Itt jelentkezik a kutatóegyetem óriási előnye – írja Schindall -, az, hogy egy helyen megtalálható különféle szaktudás, hozzá az eszközök, a különleges felszereltség, és nem kevésbé fontos a kollégák együttműködési készsége.”

Az alkalmazások sorának végét egyelőre nem is lehet előre látni. Az egyik hasznosítás a megújuló forrásokból származó energia tárolása. Hiszen sok előnnyel járnak a megújuló források, mindössze az a baj, hogy csak akkor termelődik velük energia, ha süt a nap, vagy fúj a szél. De éjjel vagy szélcsendben már gondok keletkezhetnek. Ezért például a folyamatos ellátáshoz a nappal vagy a jó széljáráskor keletkező energiát tárolni kell(ene), méghozzá lehetőleg környezetbarát eszközökkel (az elektrolitikus kémiai akkumulátorok messzemenően nem tartoznak ezek közé). Egy épület energiaellátása esetében a tároló eszköz mérete viszonylag kevésbé fontos tényező, mint egy másik nagyon jellegzetes alkalmazási lehetőségnél, a hibrid autónál. “Bár még sok évbe telhet, amíg az ultrakondenzátorok egyedül is képesek lehetnek egy teljesen elektromos vagy akár csak hibrid hajtású gépkocsi táplálására, de ahhoz közel állunk, hogy már most is rásegítőkként alkalmazhatók legyenek.

Ha például gyorsításkor hirtelen nagy áramra van szükség, az ultrakondenzátor megoldja, fékezéskor viszont visszatöltődik. Természetesen nem hiányozhat a számítógépes irányítás sem, amely ellenőrzi és vezérli a tápegység állapotát. Amellett, kisebb egységekként beépítve külön ultrakondenzátorok láthatják el például a légkondicionálót, az ablakemelőt, az ajtózárakat és a modern gépkocsi egyéb hasonló alrendszereit” – állítja bizakodva Joel Schindall.