A tiszta víz rosszul vezeti az áramot. Ennek ellenére a Hamburgi Műszaki Egyetem (TU Hamburg) kutatói energiatárolót építettek belőle. A trükk: bezárják a vizet. Ez az elektrokémia első szemeszterének egyik alaptétele: a tiszta víz nem alkalmas elektrolitnak. Túl rosszul vezeti a töltéseket. Aki elektromos energiát akar tárolni, annak ezért sókat, savakat vagy szerves oldószereket kell használnia. Most azonban egy új felismerés körvonalazódik: ha a vizet bezárják, minden megváltozik. A TU Hamburg Vasily Artemov vezette kutatócsoportja egy nanométer széles agyagcsatornákba préselte a vizet, amelyek 100 000-szer vékonyabbak egy emberi hajszálnál. A kutatók szerint ebben a környezetben a világ legismertebb folyadéka hirtelen használható elektrolitként kezd viselkedni. Az így létrehozott „Blue Capacitor” megbízhatóan tölthető és kisüthető, olyan feszültségeket is elvisel, amelyeknél a normál víz már régen szétesne, és kizárólag olyan anyagokból áll, amelyekből a Föld bőséges készletekkel rendelkezik. A tanulmány most jelent meg a Nature Communications folyóiratban.
Mi az a szuperkondenzátor?
A Blue Capacitor a szuperkondenzátorok családjába tartozik. Az akkumulátorhoz képest a különbség az energiatárolás elvében rejlik:
– Az akkumulátor kémiai úton tárolja az energiát. Töltéskor az áram az elektróda anyagát nagyobb energiatartalmú állapotba kényszeríti: az ionok egyik elektródáról a másikra vándorolnak, és ott beépülnek az anyagba. Kisütéskor a reakció fordított irányban zajlik. Így sok energia tárolható kis tömeg mellett, de az állandó átalakulás időigényes, és minden ciklus során károsítja az anyagot.
– A kondenzátor fizikai úton tárolja az energiát. Itt nem történik kémiai reakció; a pozitív és negatív töltéseket szétválasztják és rögzítik. Amint az áramkört lezárják, a töltések azonnal kiegyenlítődnek. Emiatt a töltés és kisütés a másodperc töredéke alatt végbemegy, gyakorlatilag kopás nélkül. Ugyanakkor egy elektromos térben kevesebb energia tárolható, mint egy akkumulátorban.
– A szuperkondenzátor még többet hoz ki ebből az elvből. Elektródái porózus anyagból, többnyire szénből készülnek. Már néhány grammnyi anyag belső felülete is akkora lehet, mint egy futballpálya. Az elektrolittal érintkező ezen óriási határfelületen a töltések rendkívül sűrűn halmozódnak fel. Ez megsokszorozza a kapacitást anélkül, hogy feladná a gyors, kopásmentes működési elvet. A szuperkondenzátorok így ott egészítik ki az akkumulátorokat, ahol gyors és gyakori töltésváltozásokra van szükség. Teljes mértékben azonban nem helyettesítik azokat.
Miért bukott el eddig a tiszta víz?
Ahhoz, hogy a töltések áramolhassanak, a szuperkondenzátornak elektrolitra van szüksége. A tiszta víz eddig nem jöhetett szóba erre a feladatra. Csak olyan adalékanyagok, mint a sók vagy savak teszik kellően vezetőképessé, hacsak a gyártók nem alkalmaznak közvetlenül szerves oldószereket, amelyek gyakran gyúlékonyak és nehezen ártalmatlaníthatók. Vasily Artemov és csapata úgy szerette volna a vizet elektrolitként használni, hogy ne legyen szükség ilyen adalékokra. „Célunk biztonságosabb és fenntarthatóbb energiatároló technológiák fejlesztése, amelyek gyakori nyersanyagokra épülnek, nem pedig összetett kémiai vegyületekre” – foglalja össze Artemov.
Mire képes több millió agyag- és graféncsatorna?
A hamburgi kutatócsoport – amelyben a lausanne-i EPFL, a DESY és az MIT kutatói is részt vettek – megoldása az volt, hogy bezárták a vizet, és ezzel növelték annak vezetőképességét. Az elv a következő:
– Az agyagásványokat grafénnel, a szén egy rendkívül jó vezetőképességű formájával kombinálják. A rétegek több millió párhuzamos csatornából álló labirintussá rendeződnek.
– Minden csatorna mindössze körülbelül egy nanométer széles – nagyjából 100 000-szer vékonyabb egy emberi hajszálnál. A csatornákban csak néhány rétegnyi vízmolekula fér el.
– Ebben a szűk térben a víz teljesen másképp viselkedik, mint egy pohárban vagy a tengerben: hirtelen hatékonyan képes töltéseket mozgatni. „Eredményeink azt mutatják, hogy a nanostruktúrákba zárt víz aktív elektrolitként szolgálhat egy gyakorlati energiatároló eszközben” – mondja Artemov.
A jelenséget a hamburgi Német Elektronszinkrotronban (DESY) tették láthatóvá, amelyet a magfúziós kutatásokban is használnak. „A DESY ragyogó PETRA III röntgenforrása lehetővé tette számunkra, hogy láthatóvá tegyük az egyetlen vízrétegekből álló ultravékony rétegeket az agyagszerkezetekben” – magyarázza Patrick Huber társszerző, a TU Hamburg professzora.
Nagyobb feszültség, mint amit a víznek el kellene viselnie
A módszer hatékonyságát az elért feszültség is mutatja. A Blue Capacitor laboratóriumi tesztek során akár 1,6 voltos feszültségen is működött. A normál víz már körülbelül 1,23 voltnál hidrogénre és oxigénre bomlik. A kutatók szerint az, hogy a bezárt víz ennél jóval többet elvisel, bizonyíték arra, hogy a víz nanoszintű különleges tulajdonságai gyakorlati célokra is felhasználhatók. A kutatók beszámolója szerint a teljesítmény több mint 60 000 töltési és kisütési cikluson át stabil maradt. Természetesen a rendkívül magas stabilitás eleve a szuperkondenzátorok egyik tipikus előnye az akkumulátorokkal szemben – a kereskedelmi modellek 100 000 vagy annál több ciklust is kibírnak. Ezért nem maga a ciklusszám a figyelemre méltó, hanem az, hogy ezt egy tiszta vízzel működő laboratóriumi rendszer érte el. A rendszer tehát a bevált technológiák stabilitási kategóriájában játszik, de eltérő kémiai alapokon.
„Teljesen új technológiai alkalmazások”
A tudósok elismerik, hogy kutatásuk még a kezdeti szakaszban jár. A kereskedelmi alkalmazásokig még hosszú út vezet. Ha azonban sikerül az áttörés, a vízből, agyagból és szénből készült tárolók olyan területeken kaphatnak szerepet, ahol gyors és gyakori terhelésváltozásokra van szükség:
– a szél- és napenergia-termelés ingadozásainak kiegyenlítésére,
– gyakori töltési ciklusoknak kitett eszközökben,
– az energiatároláson túl a nanoméretű terekbe zárt víz teljesen új alkalmazásokat is inspirálhat, az érzékelőktől a neuromorf számítástechnikáig.
A munka a TU Hamburg „BlueMat – Water-Driven Materials” kiválósági klaszterében készült, amely 2026 eleje óta mintegy 60 millió euró támogatásban részesül. A cél az, hogy a vízzel való kombinálás révén új tulajdonságokat hozzanak elő különböző anyagokból.
„Munkánk azt mutatja, hogy még egy olyan jól ismert anyag is, mint a víz, váratlan tulajdonságokat fedhet fel, ha nanoméretben vizsgáljuk” – összegzi Artemov. „E tulajdonságok megértésével képesek lehetünk teljesen új technológiai alkalmazások kifejlesztésére.”
Grafika: Martin Künsting
