सनबर्न से प्रेरणा? सौर ऊर्जा को "अणुओं में बंद करने" की नई तकनीक की संभावना

सौर ऊर्जा का एक बड़ा दोष यह है कि यह बहुत सरल है: जब सूर्य नहीं चमकता, तो बिजली उत्पन्न नहीं होती। दिन में उत्पन्न बिजली को रात में उपयोग करने के लिए, बैटरी, ग्रिड, या अन्य भंडारण प्रणाली की आवश्यकता होती है। जितना अधिक हम नवीकरणीय ऊर्जा को समाज का मुख्य हिस्सा बनाने की कोशिश करते हैं, उतनी ही बड़ी यह "भंडारण" की समस्या बन जाती है।

लेकिन अगर हम सूर्य की ऊर्जा को बिजली के रूप में नहीं, बल्कि सीधे अणुओं में बंद कर सकें? और अगर ये अणु आवश्यक समय पर गर्मी छोड़ सकें, जैसे पानी को गर्म करना, कमरे को गर्म करना, या मशीनों के तापमान को नियंत्रित करना——।

ऐसा विज्ञान कथा जैसा शोध, मुख्य रूप से कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय सांता बारबरा में चल रहा है। और इसकी प्रेरणा आश्चर्यजनक रूप से "सनबर्न" से मिली।

रसायनज्ञ ग्रेस हान ने बताया कि जब उन्होंने बोस्टन से दक्षिण कैलिफोर्निया का दौरा किया, तो वे धूप की तीव्रता से चकित हो गईं। कुछ घंटे बाहर रहने के बाद ही उनकी त्वचा पर जलन महसूस हुई। यह अनुभव उनके डीएनए के प्रकाश रासायनिक प्रतिक्रियाओं में रुचि के साथ मेल खाता था। सनबर्न वह घटना है जिसमें त्वचा की कोशिकाओं में मौजूद डीएनए पर अल्ट्रावायलेट किरणों का प्रभाव पड़ता है। डीएनए के अणु प्रकाश के संपर्क में आकार बदलते हैं और विकृत स्थिति में आ जाते हैं।

यह "प्रकाश के संपर्क में आकार बदलने" की विशेषता ऊर्जा भंडारण के लिए एक संकेत बन गई।

मॉलिक्यूलर सोलर थर्मल एनर्जी स्टोरेज, जिसे संक्षेप में MOST कहा जाता है, के क्षेत्र में ऐसे अणुओं का उपयोग किया जाता है जो प्रकाश के संपर्क में आने पर संरचना बदलते हैं और उच्च ऊर्जा स्थिति में स्थिर रहते हैं। जब अणु अपनी मूल संरचना में लौटते हैं, तो उस अंतर की ऊर्जा गर्मी के रूप में निकलती है। इसे इस तरह समझ सकते हैं कि सूर्य के प्रकाश से सूक्ष्म स्प्रिंग को घुमाया जाता है और जब आवश्यकता होती है, तो उस स्प्रिंग को वापस करके गर्मी निकाली जाती है।

पारंपरिक सौर ऊर्जा उत्पादन में, प्रकाश को बिजली में बदला जाता है। दूसरी ओर, MOST प्रकाश को रासायनिक ऊर्जा के रूप में संग्रहीत करता है और इसे गर्मी के रूप में निकालता है। यह लिथियम आयन बैटरी की तरह बिजली को संग्रहीत करने से अलग है। यह तकनीक स्मार्टफोन या ईवी को चलाने के लिए बैटरी के बजाय, हीटिंग, जल ताप, औद्योगिक हीटिंग, कंडेनसेशन रोकथाम, तापमान प्रबंधन जैसे "गर्मी" की आवश्यकता वाले परिदृश्यों के लिए उपयुक्त है।

इस बार ध्यान आकर्षित करने वाला हान और उनके शोध दल द्वारा विकसित पिरिमिडोन-आधारित अणु है। डीएनए की संरचना से प्रेरित यह अणु अल्ट्रावायलेट किरणों के संपर्क में आने पर उच्च ऊर्जा के रूप में बदल जाता है और उस स्थिति को बनाए रखता है। और जब इसे विशेष उत्तेजना दी जाती है, तो यह अपनी मूल स्थिति में लौट आता है और संग्रहीत ऊर्जा को गर्मी के रूप में छोड़ता है।

शोध दल ने बताया कि इस अणु ने प्रति किलोग्राम 1.65 मेगाजूल की उच्च ऊर्जा घनत्व दिखाई। यह MOST क्षेत्र में बहुत उच्च मूल्य है और इसे सामान्य लिथियम आयन बैटरी के द्रव्यमान के प्रति ऊर्जा घनत्व से अधिक स्तर के रूप में प्रस्तुत किया गया है। इसके अलावा, प्रयोग में छोटे कंटेनर में पानी को तेजी से उबालने के लिए पर्याप्त गर्मी उत्सर्जन की भी पुष्टि की गई।

इस उपलब्धि की दिलचस्पी केवल "उच्च ऊर्जा घनत्व" में नहीं है। यह महत्वपूर्ण है कि सौर ऊर्जा को दीर्घकालिक रूप से संग्रहीत किया जा सकता है और गर्मी को सीधे निकाला जा सकता है।

जब ऊर्जा समस्या के बारे में सोचा जाता है, तो कई लोग बिजली की कल्पना करते हैं। पावर प्लांट, ग्रिड, बैटरी, ईवी, स्मार्ट ग्रिड जैसे शब्द सामने आते हैं। लेकिन दुनिया की ऊर्जा मांग में "गर्मी" का बहुत बड़ा हिस्सा है। घरों की हीटिंग, जल ताप, खाद्य प्रसंस्करण, रासायनिक उद्योग, सुखाने की प्रक्रियाएं, विनिर्माण की हीटिंग आदि, समाज को विशाल मात्रा में गर्मी की आवश्यकता होती है। और इसका अधिकांश हिस्सा अभी भी जीवाश्म ईंधन के दहन पर निर्भर करता है।

इसका मतलब है कि डीकार्बोनाइजेशन की कठिनाई केवल "बिजली कैसे उत्पन्न करें" में नहीं है। "गर्मी कैसे उत्पन्न करें" और "गर्मी कैसे संग्रहीत करें" भी बड़े मुद्दे हैं।

यदि MOST तकनीक का व्यावहारिक उपयोग किया जाता है, तो दिन में सूर्य के प्रकाश से अणुओं को "चार्ज" करने और रात में या बादल के समय में गर्मी निकालने का उपयोग किया जा सकता है। छत पर तरल को सूर्य के प्रकाश में छोड़कर, टैंक में संग्रहीत किया जा सकता है और आवश्यकता के समय जल ताप या हीटिंग में उपयोग किया जा सकता है। या फिर, ठंडे क्षेत्रों में खिड़कियों पर पारदर्शी कोटिंग के रूप में उपयोग करके कंडेनसेशन को रोका जा सकता है। छोटे उपग्रहों या विमानों के तापमान प्रबंधन, ऑफ-ग्रिड वातावरण में गर्मी स्रोत के रूप में भी इसका उपयोग किया जा सकता है।

हालांकि, इस तकनीक को "जल्द ही घरेलू हीटिंग को बदलने वाली क्रांति" के रूप में देखना जल्दबाजी होगी। मूल लेख में भी, कई शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक दृष्टिकोण दिखाया है।

सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक अणुओं को बदलने के लिए आवश्यक प्रकाश की तरंगदैर्ध्य है। वर्तमान प्रणाली में, मुख्य रूप से 300 नैनोमीटर के आसपास की मजबूत अल्ट्रावायलेट किरणें शामिल हैं। पृथ्वी पर पहुंचने वाले सूर्य के प्रकाश में अल्ट्रावायलेट किरणें भी शामिल होती हैं, लेकिन उनकी मात्रा सीमित होती है। व्यावहारिक उपयोग के लिए, इसे अधिक प्राकृतिक प्रकाश में प्रतिक्रिया करने योग्य बनाना होगा, या दृश्यमान प्रकाश के करीब की तरंगदैर्ध्य पर भी कुशलतापूर्वक काम करने के लिए सुधार करना होगा।

दूसरी चुनौती संग्रहीत ऊर्जा को निकालने के लिए ट्रिगर है। वर्तमान प्रयोग में हाइड्रोक्लोरिक एसिड का उपयोग किया गया था। हाइड्रोक्लोरिक एसिड संक्षारक होता है और इसे संभालने और तटस्थ करने की आवश्यकता होती है। घरों, इमारतों, औद्योगिक उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग के लिए, अधिक सुरक्षित और संभालने में आसान उत्प्रेरक या गर्मी उत्तेजना, या ठोस सामग्री के साथ संयोजन की आवश्यकता होगी।

इसके अलावा, तरल के रूप में उपयोग करने पर, तरल को पंप के माध्यम से स्थानांतरित करने की आवश्यकता होगी। छत के कलेक्टर, पाइपिंग, टैंक, हीट एक्सचेंजर, उत्प्रेरक प्रतिक्रिया भाग आदि की आवश्यकता होने पर, पूरी प्रणाली की लागत और विफलता का जोखिम बढ़ जाएगा। भले ही अणु की व्यक्तिगत प्रदर्शन उत्कृष्ट हो, सामाजिक कार्यान्वयन में उपकरण की पूरी दक्षता, कीमत, जीवनकाल, सुरक्षा, और रखरखाव की क्षमता को परखा जाएगा।

इसके अलावा, प्रकाश को अवशोषित करने वाले अणु को अधिक मोटा करने पर अंदर तक प्रकाश नहीं पहुंचता। तरल की परत को कितनी मोटाई में बनाया जा सकता है, कितने क्षेत्र में कितनी गर्मी संग्रहीत की जा सकती है, यह भी महत्वपूर्ण मुद्दा होगा। यदि पूरे घर की हीटिंग को पूरा करने के लिए, बड़ी मात्रा में सामग्री और व्यापक प्रकाश क्षेत्र, स्थिर परिसंचरण उपकरण की आवश्यकता हो सकती है।

फिर भी, इस शोध का बड़ा महत्व है। क्योंकि MOST "सौर ऊर्जा को बिजली में बदलकर बैटरी में संग्रहीत करने" की मौजूदा सोच से अलग है, यह "सौर ऊर्जा को गर्मी के रूप में उपयोग करने के लिए अणुओं के आकार में संग्रहीत करने" का एक अलग मार्ग प्रस्तुत करता है।

सोशल मीडिया पर भी, इस शोध पर उम्मीद और आलोचना का मिश्रण देखा जा सकता है।

Reddit के विज्ञान और भविष्य की तकनीक समुदाय में, गर्मी की मांग की ओर ध्यान देने वाली आवाजें हैं। हीटिंग और जल ताप का डीकार्बोनाइजेशन अक्सर अनदेखा किया जाता है, लेकिन यह जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता को कम करने में एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है। दूसरी ओर, "अगर गर्मी को संग्रहीत करना है, तो रेत बैटरी जैसी मौजूदा गर्मी भंडारण तकनीकें भी हैं", "छोटा करने पर गर्मी आसानी से भाग जाती है", "हीटिंग के अलावा कूलिंग की भी मांग है" जैसे व्यावहारिक टिप्पणियाँ भी पोस्ट की गई हैं। यानी, सोशल मीडिया पर प्रतिक्रिया केवल प्रशंसा नहीं है, बल्कि "यह दिलचस्प है, लेकिन इसे कहाँ उपयोग करना सबसे अच्छा होगा" जैसे कार्यान्वयन दृष्टिकोण पर आधारित है।

LinkedIn पर, अनुसंधान और ऊर्जा उद्योग के करीब के उपयोगकर्ताओं के बीच, अधिक विशेषज्ञ प्रतिक्रिया दिखाई देती है। अणु के सौर ऊर्जा को रासायनिक बंधन के रूप में संग्रहीत करने और आवश्यकता के समय गर्मी के रूप में निकालने की क्षमता को "दीर्घकालिक गर्मी भंडारण की एक संभावित पूरक तकनीक" के रूप में मूल्यांकन करने वाले पोस्ट हैं, जबकि वर्तमान में मुख्य रूप से अल्ट्रावायलेट किरणों पर निर्भरता, स्केल-अप की आर्थिकता का अभाव, और ग्रिड स्तर पर दीर्घकालिक भंडारण के लिए उपयोगी होने की अनिश्चितता को भी इंगित किया गया है।

यह तापमान भावना काफी उचित है। शोध परिणाम के रूप में यह क्रांतिकारी है, लेकिन यह तुरंत बाजार को बदलने वाला उत्पाद नहीं है। बल्कि, इसे भविष्य की सामग्री डिजाइन और सिस्टम इंजीनियरिंग का आरंभिक बिंदु माना जाना चाहिए।

विशेष रूप से ध्यान देने योग्य है कि शोधकर्ता "ठोसकरण" या "खिड़की पर अनुप्रयोग" जैसे दिशाओं में भी रुचि रखते हैं। तरल को पाइपिंग के माध्यम से परिसंचरण करने की विधि, गर्मी को स्थानांतरित करने में आसान होती है, लेकिन इसमें रिसाव, पंप की विफलता, संक्षारण, रखरखाव जैसी समस्याएं होती हैं। यदि अणुओं को ठोस सामग्री या पारदर्शी कोटिंग में शामिल किया जा सकता है, तो सरल अनुप्रयोग संभव हो सकता है।

उदाहरण के लिए, खिड़की का शीशा दिन में सूर्य के प्रकाश को प्राप्त करके अणुओं को उच्च ऊर्जा स्थिति में कर सकता है और रात में या ठंड के समय में धीरे-धीरे गर्मी छोड़ सकता है। या फिर, ठंडे क्षेत्रों में कंडेनसेशन को रोकने के लिए एक पतली फिल्म के रूप में उपयोग किया जा सकता है। भले ही यह पूरे भवन को गर्म करने के लिए पर्याप्त न हो, स्थानीय ताप नियंत्रण में यह सहायक हो सकता है।

उपग्रहों या विमानों की तरह, जहां तापमान प्रबंधन महत्वपूर्ण होता है और ईंधन या बैटरी का वजन एक बाधा होता है, वहां भी अनुप्रयोग की संभावना है। यदि केवल कुछ विशेष भागों को एक निश्चित तापमान पर बनाए रखना है, तो अणु स्तर पर संग्रहीत गर्मी को आवश्यकता के समय निकालने वाली सामग्री आकर्षक हो सकती है। घरेलू हीटिंग जैसे बड़े पैमाने पर उपयोग के बजाय, पहले छोटे और उच्च मूल्य वाले उपयोगों से व्यावहारिकता बढ़ सकती है।

यह शोध दिलचस्प है क्योंकि यह प्राकृतिक दुनिया की विफलता जैसी दिखने वाली घटना को तकनीकी संकेत में बदल रहा है। सनबर्न मानव के लिए अवांछनीय क्षति है। डीएनए का अल्ट्रावायलेट किरणों से क्षतिग्रस्त होना स्वास्थ्य जोखिम है। लेकिन जब इस अणु के आकार में परिवर्तन की घटना को देखा जाता है, तो यह प्रकाश की ऊर्जा को संरचनात्मक परिवर्तन के रूप में स्वीकार करने की प्रणाली होती है। यह विचार है कि जीवन ने लंबे समय तक प्रकाश रासायनिक प्रतिक्रियाओं का सामना किया है और इसे ऊर्जा तकनीक में बदलने का विचार है।

हालांकि, यहां यह गलतफहमी नहीं होनी चाहिए कि यह तकनीक "सनबर्न का उपयोग करती है"। मानव त्वचा या डीएनए को ऊर्जा भंडारण में उपयोग नहीं किया जाता है। यह केवल डीएनए के प्रकाश से संरचनात्मक परिवर्तन की प्रणाली से प्रेरणा लेकर कृत्रिम अणुओं को डिजाइन करने की बात है।

आगे के फोकस तीन बड़े मुद्दे होंगे।

पहला, सौर प्रकाश की कौन सी तरंगदैर्ध्य का कितना उपयोग किया जा सकता है। यदि केवल अल्ट्रावायलेट किरणों के बजाय, अधिक प्रचुर मात्रा में पहुंचने वाले दृश्यमान प्रकाश का उपयोग किया जा सके, तो व्यावहारिकता बहुत बढ़ जाएगी।

दूसरा, सुरक्षित गर्मी रिलीज ट्रिगर का विकास। हाइड्रोक्लोरिक एसिड जैसे कठिन रासायनिक पदार्थों के बजाय, यदि कम तापमान की गर्मी, प्रकाश, ठोस उत्प्रेरक, इलेक्ट्रोकेमिकल उत्तेजना आदि के माध्यम से स्थिरता से गर्मी रिलीज की जा सके, तो अनुप्रयोग की सीमा बढ़ जाएगी।

तीसरा, सामग्री और उपकरणों को शामिल करते हुए कुल लागत। अणुओं को संश्लेषित करने की लागत, पुनः उपयोग के समय की गिरावट, गर्मी हानि, उपकरण का जीवनकाल, रखरखाव की क्षमता, पर्यावरणीय प्रभाव को शामिल करते हुए, मौजूदा हीट पंप, सौर तापीय जल हीटर, थर्मल स्टोरेज सामग्री, रेत बैटरी, बैटरी के साथ तुलना की जाएगी।

ऊर्जा प्रौद्योगिकी के इतिहास को देखते हुए, प्रयोगशाला में उत्कृष्ट आंकड़े देने वाली तकनीकें, सीधे समाज को नहीं बदलतीं। बल्कि, सामाजिक कार्यान्वयन की प्रक्रिया में साधारण समस्याएं बार-बार सामने आती हैं। पाइपिंग जाम हो जाती है, सामग्री महंगी होती है, उत्प्रेरक खराब हो जाता है, सुरक्षा मानकों को पूरा नहीं किया जा सकता, रखरखाव बहुत जटिल होता है——। इन बाधाओं को पार किए बिना, कितनी भी सुंदर रासायनिक प्रतिक्रिया हो, यह उद्योग नहीं बन सकती।

फिर भी, इस शोध ने "सौर ऊर्जा को कैसे संग्रहीत किया जाए" के प्रश्न में एक नया विकल्प जोड़ा है। सोलर पैनल और लिथियम आयन बैटरी ही भविष्य नहीं हैं। कुछ स्थितियों में गर्मी को गर्मी के रूप में संग्रहीत करना अधिक कुशल हो सकता है। भवनों, कारखानों, गतिशीलता, अंतरिक्ष उपकरणों जैसे स्थानों में, जहां बिजली की बजाय गर्मी की आवश्यकता होती है, मॉलिक्यूलर सोलर थर्मल स्टोरेज की अपनी विशिष्ट मूल्य हो सकती है।

सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करने पर अणु आकार बदलते हैं और उस आकार में ऊर्जा को बंद कर देते हैं। जब आवश्यकता होती है, तो अणु को वापस लाकर गर्मी निकाली जाती है। शब्दों में यह सरल लगता है, लेकिन इसे साकार करने के लिए उन्नत कार्बनिक रसायन, गणना रसायन, सामग्री विज्ञान, और थर्मल इंजीनियरिंग की आवश्यकता होती है।

सनबर्न जैसी सामान्य और थोड़ी परेशानी वाली घटना से, भविष्य के ऊर्जा भंडारण का जन्म हो सकता है। शोध अभी प्रारंभिक चरण में है, लेकिन सूर्य को "बिजली उत्पन्न करने