El hormigón que promete generar electricidad y monitorear daños estructurales

Los ingenieros de la Universidad de Pittsburgh ahora están re imaginando el diseño del material para el siglo XXI.
el hormigón metamaterial
Obra de arte conceptual que representa un nuevo hormigón metamaterial. Imagen: techxplore.com

El hormigón es el material que más se utiliza en la industria de la construcción y data del Imperio Romano. Generalmente, está hecho a base de cemento, arena y grava o piedra, pero ahora, unos ingenieros reinventan su diseño con un metamaterial capaz de generar electricidad por sí mismo.

Un grupo de científicos de la Universidad de Pittsburgh (Pitt), en Pensilvania (EE. UU.), pretenden llevar al hormigón a un nuevo nivel con un metamaterial, con características electromagnéticas especiales, para el desarrollo de infraestructuras inteligentes.

En su investigación, presentan un nuevo concepto para sistemas de hormigón ligeros y mecánicamente ajustables que tienen la funcionalidad interna de poder detectar, generar y recolectar energía.

Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Pitt, indicó que ante su uso masivo se necesita desarrollar una nueva generación de materiales de hormigón, más económicos y sostenible, pero que ofrezca funcionalidades avanzadas.

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“Podemos alcanzar todos estos objetivos introduciendo un paradigma metamaterial en el desarrollo de materiales de construcción”, agregó.

No es la primera vez que este grupo de investigadores trabaja con metamateriales, ya que en un proyecto anterior los utilizaron en implantes dentales.

Sin embargo, en esta ocasión han usado este elemento para crear un hormigón altamente adaptable —fragilidad, la flexibilidad y la forma se pueden ajustar—, permitiendo a los constructores usar menos material sin tener que sacrificar la resistencia o la longevidad.

Electricidad y daños por terremotos

El artículo “Multifunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure” se publicó en Advanced Materials.

El metamaterial lo forman unas redes de polímeros auxéticos reforzados dentro de una matriz de cemento conductor, que los investigadores han mejorado con polvo de grafito y que forma el electrodo.

Por otro lado, un nanogenerador puede generar electrificación por contacto entre las capas. Es decir, puede generar su propia carga eléctrica.

Todavía no puede producir suficiente electricidad para enviar energía a la red eléctrica, pero los científicos sí genera una potencia que permitiría alimentar sensores integrados en las carreteras.

Además de la producción eléctrica, tiene el potencial para emplearse para monitorear daños dentro de la propia estructura o ver el impacto de fenómenos como terremotos en los edificios.

Asimismo, físicamente el metamaterial en sí se puede ajustar para adaptarse a cualquier construcción. Según las pruebas realizadas por los investigadores, podría comprimirse hasta un 15 % manteniendo su integridad estructural y producir 330 microwatts (μW) de potencia.

Alavi señaló que los sistemas de concreto livianos y mecánicamente ajustables pueden abrir una puerta al uso de hormigón en diversas aplicaciones.

“Por ejemplo, como materiales de ingeniería de absorción de impactos en aeropuertos para ayudar a reducir la velocidad de aviones fuera de control o sistemas de aislamiento de base sísmica”, explicó.

Un uso escalable

Desde Pitt señalan que este hormigón multifuncional que han creado puede convertirse en un componente ampliamente utilizado en infraestructura, ya que es “escalable, rentable y puede autosostener sus operaciones a través de la energía de recolección verde”.

Al menos eso es lo que señalan en su investigación, titulada “Sistemas de hormigón de metamateriales integrados con nanogeneradores multifuncionales para infraestructura civil inteligente” y que se publicó en la revista Advanced Materials.

A pesar del potencial que ofrece este hormigón para producir infraestructuras inteligentes y autoalimentadas, los investigadores señalan en su estudio la necesidad de realizar pruebas a gran escala para mejorar el producto.

Incluso indican que también se debe seguir investigando sobre cómo aislar el material integrado en el nanogenerador de recolección de energía de los factores estresantes ambientales, como pueden ser la humedad, el clima húmedo y los cambios de temperatura.

Eso sí, el equipo de investigación ya se asoció con el Departamento de Transporte de Pensilvania (PennDOT) para desarrollar este metamaterial de hormigón con el objetivo de utilizarlo en un futuro en las carreteras de Pensilvania.

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