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那福忠,網路作者。
   
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  May 23, 2021  電池、水泥、房子、城市
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這一塊塊的水泥,有一天就會是儲存能源的電池!
photo by Adrien Olichon

   電池的種類繁多,大小不一用在不同的地方,在生活上接觸最多的有小型電器、遙控器、手錶用的電池,因為經常要更換,當然還有汽車電池。從技術上分,有鋰電池、鋰離子電池、鉛蓄電池、鎳氫電池,各有特性與功用,但看起來都跟金屬有關係。至於水泥,乾了以後不導電,用作電池像有一段距離,但有人確實研發出來水泥電池,也許沒有 AA 那麼小,卻可以做的很大、很大,大到像一棟大樓。

   水泥電池是由兩位學者研發的,瑞典查爾姆斯 (Chalmers) 理工大學的唐路平 (Luping Tang) 教授,與 Delta 材料研究公司高級研究員 Emma 張博士,張博士以前與唐教授同事。唐教授專注未來建築材料的研究,而先進的智慧型材料,一般都認為應自備能源,以及有自行檢測的功能,並且能採集再生能源有效儲存。就在這一趨動之下,唐教授與張博士研發了水泥電池,成功的設計出概念雛形。

   大家都知道電池的簡單構造,陽極、陰極、電解質。水泥電池的製作原理相同,為了增加導電與韌性,在水泥中加入不同份量的短碳纖維、甲基纖維素、去離子水等原料,攪拌成沙漿之後,分上下兩層各插入金屬塗抹的碳纖維網,用鐵粉塗抹的碳網是為陽極,用鎳粉塗抹的碳網是為陰極,以水泥、細沙、鹼性溶液、樹脂等製成的夾層,作為兩極層中間的電解質隔離器。這樣一個可充電的水泥電池,基本完成。

   新電池的能量密度初估為 7Wh/m2 (0.8Wh/liter),雖然不能與目前商用電池相比,卻比以前純混凝土電池的嘗試多了十倍,且有與混凝土建築結合的優勢。混凝土的建築物體積都很大,結合的電池體積也隨著增大,以量來彌補儲電量的不足。研究人員說這一技術可以先用在偏遠地區的照明與通訊,以及用作混凝土建築的陰極防鏽,如果與再生能源結合,儲存能源,更可用作偵測道路與橋樑的裂痕。

   這些僅是初步的應用,研究人員有更遠大的目標,就是研發智慧功能的建築材料,以最普遍的混凝土型態,用來建築高樓,而每一樓層都可以嵌入電極,連接混凝土的智慧功能,整棟大樓就成為一個大電池,一個社區多幾棟電池大樓,就能連接成一個電網,相互支援。這或許是如唐教授對未來的期盼,他說希望建築材料可以成為另一種再生能源。

   技術日新月異,兩個月以前介紹了 3D 印刷蓋房子,一棟位於紐約長島三房二衛浴、1400 平方呎(130 平方米)的平房,僅全用了三名工人兩天時間蓋完,售價 30 萬美元,為全美第一棟出售的 3D 印刷住宅。蓋得這麼快,是因為所有的牆是用調配成水泥狀的材料,由 3D 印刷機械依照牆的設計層層噴灑,快乾以後完成,省下來的人工與時間讓價格下降。如果智慧型的混凝土可以用到 3D 印刷建築,一棟住宅蓋好就來電了。

   人類從鄉間漸漸遷居城市,預估 2050 年全球會有 68% 的人口聚集在城區,教育、健康、高薪、娛樂、生活品質,都是促使走向城市的動機。人口密集之後,迫於活動面積縮小,而向高空發展,以致高樓林立,但有人想改變這樣的型態,他就是沙烏地阿拉伯儲君 Mohammed bin Salman,提出了一線城 (The Line) 計畫。凡城市莫不由繁華中心向周遭擴散,在概念上為圓形,但誰說城市一定是圓的,不能是長的,長成一條線?

   一線城長 100 哩(170 公里),寬約一個小社區,從紅海岸直到東北的山區,可以讓 100 萬人享受寬敞舒適的生活空間,完全使用再生能源。那從城頭到城尾要花少時間?快捷運輸只要 20 分鐘,但這個城不用這個概念,因為任何生活需要,都在步行 5 分鐘之內的獨立生活社區,這個社區稱為模組 (Module),許多模組散佈在 100 哩線上,模組之間沒有道路,只有花草樹木,沒有汽車。

   一線城的設計共分三層,地面一層、地下兩層,地面上僅有分散的社區模組,是生活區,每一社區類似,除了探親訪友沒有必要到別的社區,但如果要去,就下二層樓,這是一個快速的捷運系統。那樓下一層,就是一般城市表面看不見的水、電、通訊、衛生等基礎建設。依照計畫,除了完全使用再生能源之外,也完全運用 AI 技術掌控運作。一線城也是 NEOM 前瞻計畫(包括埃及與約旦)的一部份。

   電池、水泥、房子、城市,也許關連沒有那麼緊密,卻從中看到許多人盡心盡力為人類的未來埋頭創新,不免教人讚佩!

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