Thermoelastic Harvesting Outperforming Thermoelectric Generators Below 100 {\deg}C

कल्पना कीजिए कि दुनिया एक विशाल, अदृश्य हीटर चला रही है। हर बार जब हम कंप्यूटर चालू करते हैं, कार चलाते हैं, या यहाँ तक कि चलते-फिरते भी हैं, तो हम गर्मी पैदा करते हैं। इस गर्मी का अधिकांश हिस्सा "लो-ग्रेड" (low-grade) होता है, जिसका अर्थ है कि यह स्टीम इंजन के लिए पानी उबालने हेतु पर्याप्त गर्म नहीं है, लेकिन फिर भी यह ऊर्जा की एक विशाल मात्रा है जिसे हम आमतौर पर हवा में बह जाने देते हैं। वैज्ञानिक इसे "वेस्ट हीट" (waste heat) कहते हैं, और अभी हमारे पास एक बड़ी समस्या है: हमारे पास इसे पकड़ने और वापस बिजली में बदलने का कोई अच्छा तरीका नहीं है। हमारे पास जो उपकरण मौजूद हैं, जैसे कि थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर, वे एक थिम्बल (thimble) से बारिश को पकड़ने की कोशिश करने जैसे हैं—वे काम तो करते हैं, लेकिन वे धीमे, महंगे हैं और अक्सर दुर्लभ सामग्रियों से बने होते हैं।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता "फेरोइक्स" (ferroics) नामक सामग्रियों के एक विशेष परिवार की ओर देख रहे हैं। इन सामग्रियों को "शेप-शिफ्टर" (shape-shifters) के रूप में सोचें। जब वे गर्म या ठंडे होते हैं, तो वे केवल गर्म या ठंडे नहीं होते; वे अपनी आंतरिक संरचना बदलते हैं, जिससे वे खिंचते हैं, सिकुड़ते हैं या अपना चुंबकीय खिंचाव बदलते हैं। यह एक जादू के खेल जैसा है जहाँ एक धातु का तार अचानक तापमान बदलने के कारण बढ़ने या सिकुड़ने का निर्णय लेता है। यदि हम इस "मांसपेशी" का उपयोग पिस्टन को धकेलने या पहिया घुमाने के लिए कर सकें, तो हम उस बर्बाद हुई गर्माहट को उपयोगी शक्ति में बदल सकते हैं। बड़ा सवाल यह है: क्या हम इसे इतना कुशलता से करने के लिए एक मशीन बना सकते हैं कि यह उपयोगी हो सके?

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वह आकार बदलने वाला तार जो बेकार गर्मी को पकड़ता है

बर्बाद ऊर्जा से भरी दुनिया में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक ऐसी मशीन बनाई है जो एक हाई-टेक सी-सॉ (seesaw) की तरह काम करती है, जो विशेष तारों का उपयोग करके कम-ग्रेड की गर्मी (100 °C से नीचे) को बिजली में बदलती है। उनका नया उपकरण, एक थर्मोइलास्टिक हार्वेस्टर (thermoelastic harvester), पिछले प्रयासों की तुलना में एक बड़ा अपग्रेड है, जो यह साबित करता है कि हम इन आकार बदलने वाली सामग्रियों से पहले की तुलना में कहीं अधिक शक्ति निकाल सकते हैं।

समस्या: "आधा खाली" मशीन

दशकों से, वैज्ञानिकों ने शेप मेमोरी अलॉय (SMA) का उपयोग करके मशीनें बनाने की कोशिश की है, जो ऐसे तार हैं जो अपने आकार को "याद" रख सकते हैं। जब आप एक SMA तार को गर्म करते हैं, तो वह अपने मूल रूप में वापस आ जाता है; जब आप इसे ठंडा करते हैं, तो यह नरम और खींचने में आसान हो जाता है। विचार यह है कि इन तारों को चक्र में गर्म और ठंडा किया जाए ताकि वे धक्का दें और खींचें, जिससे बिजली उत्पन्न हो सके।

हालाँकि, पुराने डिजाइनों में एक बड़ी खामी थी। कल्पना कीजिए कि दो पुली (pulleys) के ऊपर से एक लंबी रस्सी गुजर रही है, एक गर्म और एक ठंडी। पुराने मशीनों में, रस्सी का केवल वह छोटा सा हिस्सा जो गर्म पुली को छू रहा था, काम कर रहा था। बाकी रस्सी बस वहीं पड़ी रहती थी, या तो गर्म पानी में या ठंडे पानी में, अपने अगले नंबर का इंतज़ार करती हुई। यह एक ऐसे कारखाने की तरह था जहाँ केवल एक कर्मचारी वास्तव में उत्पाद बना रहा था जबकि टीम के बाकी सदस्य बस देखते रहते थे। इसने मशीनों को बहुत अक्षम बना दिया।

समाधान: "नायक-प्रतिपक्षी" (Protagonist-Antagonist) सी-सॉ

शोधकर्ताओं ने एक नया प्रकार का इंजन बनाकर इसे ठीक किया। एक लंबे लूप के बजाय, उन्होंने एक केंद्रीय सी-सॉ से जुड़े तारों के दो सेटों का उपयोग किया।

• नायक (Protagonist): तारों का एक सेट गर्म होकर सिकुड़ता है, जिससे सी-सॉ का एक हिस्सा नीचे की ओर खिंचता है।
• प्रतिपक्षी (Antagonist): उसी समय, तारों का दूसरा सेट ठंडा होता है और सी-सॉ की गति से खिंचकर लंबा हो जाता है।

यहाँ जादू वाला हिस्सा है: ठंडे तारों को खींचने के लिए आवश्यक ऊर्जा सीधे उन गर्म तारों से आती है जो अपना काम कर रहे हैं। यह एक रस्साकशी की तरह है जहाँ जीतने वाली टीम स्वचालित रूप से हारने वाली टीम के लिए रस्सी खींच लेती है, ताकि आपको सिस्टम को रीसेट करने के लिए बाहरी मोटर की आवश्यकता न हो। यह डिज़ाइन सुनिश्चित करता है कि सभी सक्रिय सामग्री हर क्षण काम कर रही है, न कि केवल एक छोटा सा हिस्सा।

उन्होंने दूसरी समस्या भी हल की: गर्मी को कितनी तेजी से स्थानांतरित किया जाए। पुराने डिजाइनों में तार की पूरी लंबाई के साथ पानी को धकेला जाता था, जो धीमा था। यह नई मशीन तारों के आर-पार (cross-flow) पानी छोड़ती है (जैसे एक शावरहेड द्वारा पाइप पर पानी मारना), जिससे तारों को छोटा किए बिना वे बहुत तेज़ी से गर्म और ठंडे हो सकते हैं।

परिणाम: एक पावरहाउस

टीम ने अपने मशीन का परीक्षण व्यावसायिक रूप से उपलब्ध निकल-टाइटेनियम (NiTi) तारों के साथ किया, जिनका उपयोग वही किया जाता है जो मेडिकल उपकरणों जैसे स्टेंट में किया जाता है। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने बल और गति को सीधे मापा।

परिणाम प्रभावशाली थे:

• पावर डेंसिटी (Power Density): मशीन ने सक्रिय सामग्री के आकार के सापेक्ष 366 mW/cm³ की बिजली पैदा की। यह अब तक निर्मित अगले सबसे अच्छे थर्मोइलास्टिक डिवाइस की तुलना में लगभग 1.7 गुना बेहतर है।
• प्रतिस्पर्धा को पछाड़ना: इस नई मशीन ने 100 °C से नीचे परीक्षण किए गए हर अन्य प्रकार के हीट-हार्वेस्टर, जिसमें थर्मोमैग्नेटिक और पाइरोइलेक्ट्रिक जनरेटर शामिल हैं, को पीछे छोड़ दिया।
• लागत दक्षता: जब आपने कच्चे माल पर खर्च किए गए प्रत्येक यूरो के बदले कितनी बिजली प्राप्त की, इस पर विचार किया, तो इस उपकरण ने 4.9 W/€ दिया। यह उसी तापमान सीमा में परीक्षण किए गए सर्वश्रेष्ठ थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरों से अधिक है।

यह क्यों मायने रखता है

यह पेपर दिखाता है कि बाधा सामग्री (material) नहीं है, बल्कि यह है कि हम मशीन को कैसे डिजाइन करते हैं। "नायक-प्रतिपक्षी" सेटअप और क्रॉस-फ्लो वॉटर कूलिंग का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसा प्रदर्शन अनलॉक किया जो पहले छिपा हुआ था।

शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन या अनुमानों पर भरोसा करने के बजाय सीधे बिजली को मापा। उन्होंने पाया कि जबकि सामग्री पहले से ही बहुत अच्छा काम कर रही है, फिर भी हीट एक्सचेंज (पानी को गर्मी तेजी से स्थानांतरित करने के लिए) में सुधार की गुंजाइश है। उन्होंने यह भी नोट किया कि हालांकि यह मशीन बड़े तापमान अंतर (लगभग 66 °C) के लिए बहुत अच्छी है, लेकिन बहुत छोटे तापमान परिवर्तनों के लिए अन्य प्रकार के हार्वेस्टर्स अभी भी बेहतर हो सकते हैं।

संक्षेप में, यह पेपर साबित करता है कि सही इंजीनियरिंग के साथ, हम एक ठोस-अवस्था (solid-state) इंजन बना सकते हैं जो रोजमर्रा की बेकार गर्मी को महत्वपूर्ण मात्रा में शक्ति में बदल सकता है, जो वर्तमान में फेंकी जाने वाली ऊर्जा को पकड़ने का एक सस्ता और अधिक कुशल तरीका प्रदान कर सकता है। अब इस डिज़ाइन के नियमों का उपयोग करके और भी बड़े और अधिक शक्तिशाली हार्वेस्टर्स बनाने का रास्ता खुल गया है।