24-hr Solid-State Power Generation with Self-Adaptive Tunable Radiative Coatings
यह शोध पत्र एक स्व-अनुकूलनीय ठोस-अवस्था शक्ति उत्पादन प्रणाली का प्रदर्शन करता है जो थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर को एक ट्यूनेबल रेडिएटिव कोटिंग के साथ एकीकृत करके 24 घंटे का संचालन प्राप्त करता है, जो तापमान-संचालित VO2 चरण संक्रमण (phase transition) के माध्यम से दिन के समय उच्च सौर अवशोषण क्षमता और रात के समय उच्च इन्फ्रारेड उत्सर्जन क्षमता के बीच स्वायत्त रूप से स्विच करता है, जिससे यह दिन और रात दोनों समय बिजली उत्पादन में पारंपरिक ब्लैक एब्जॉर्बर से बेहतर प्रदर्शन करता है।
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सूर्य गर्मी का एक निरंतर स्रोत है, जबकि अंतरिक्ष का ठंडा निर्वात एक निरंतर, गहरा शीतलता प्रदान करता है। दशकों से, वैज्ञानिक इन दो चरम सीमाओं से ऊर्जा प्राप्त करने वाली मशीनें बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जिससे बिना किसी चलते हुए पुर्जों या ईंधन के शक्ति बनाने की उम्मीद की जा रही है। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि सूर्य से बिजली उत्पन्न करने के लिए एक उपकरण को बहुत गर्म होना चाहिए, लेकिन रात के आकाश से बिजली उत्पन्न करने के लिए उसे बहुत ठंडा भी होना चाहिए। आमतौर पर, जो सामग्री सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करने में अच्छी होती है, वह गर्मी को बाहर निकालने में भी अच्छी होती है, जिससे बिजली उत्पादन के लिए आवश्यक अत्यधिक तापमान अंतर बनाए रखना कठिन हो जाता है। इसके अलावा, अधिकांश सामग्रियां स्थिर होती हैं; वे इस बात पर ध्यान नहीं देतीं कि सूरज चमक रहा है या तारे निकले हुए हैं, और वे दोनों स्थितियों में एक जैसा व्यवहार करती हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने ऐसी सामग्रियों की तलाश की जो स्वचालित रूप से अपने व्यवहार को बदल सकें, एक 'स्मार्ट स्किन' की तरह काम करें जो जान सके कि कब गर्मी को सोखना है और कब उसे बाहर निकलने देना है।
एरिजोना स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसे उपकरण का प्रदर्शन किया है जो बिल्कुल यही करता है, जो केवल सूर्य और अंतरिक्ष की ठंड का उपयोग करके चौबीसों घंटे निरंतर बिजली पैदा करता है। उन्होंने एक विशेष कोटिंग बनाई है जो थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल के ढेर के ऊपर स्थित होती है—ये ऐसे उपकरण हैं जो तापमान के अंतर को सीधे बिजली में बदलते हैं। यह कोटिंग वैनेडियम डाइऑक्साइड की एक पतली फिल्म से बनी है, जो एक ऐसी सामग्री है जो तापमान के आधार पर अपनी आंतरिक संरचना बदल लेती है। जब सूरज तपता है और कोटिंग गर्म हो जाती है, तो यह एक ऐसी अवस्था में बदल जाती है जो एक आदर्श सौर अवशोषक (solar absorber) की तरह कार्य करती है, जो प्रकाश को सोख लेती है और गर्मी को भीतर ही रोक लेती है। जब सूरज ढल जाता है और कोटिंग ठंडी हो जाती है, तो यह फिर से बदल जाती है, और एक अत्यधिक कुशल रेडिएटर बन जाती है जो अपनी गर्मी को ठंडे आकाश में कुशलतापूर्वक छोड़ देती है। यह स्व-अनुकूलित (self-adaptive) स्विच बिना किसी बाहरी नियंत्रण, बैटरी या सेंसर के होता है, जो पूरी तरह से कोटिंग के स्वयं के तापमान द्वारा संचालित होता है।
शोधकर्ताओं ने इस कोटिंग को बड़ी सटीकता के साथ डिजाइन किया है, जिसमें विभिन्न सामग्रियों की परतें लगाई गई हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि स्विच ठीक वहीं काम करे जहाँ इसकी आवश्यकता है। उन्होंने वैनेडियम डाइऑक्साइड फिल्म को एक सिलिकॉन बेस पर रखा, जिसे एक स्पेसर लेयर (spacer layer) द्वारा अलग किया गया है जो इस बात को ट्यून करने में मदद करती है कि प्रकाश सतह के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। दिन के समय, जब वैनेडियम डाइऑक्साइड गर्म होती है, तो कोटिंग 90 प्रतिशत सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करती है, लेकिन अधिकांश इन्फ्रारेड गर्मी को परावर्तित कर देती है, जिससे उपकरण गर्म बना रहता है। रात में, जब सामग्री एक निश्चित बिंदु से नीचे ठंडी हो जाती है, तो यह इन्फ्रारेड प्रकाश की एक विशिष्ट सीमा के लिए पारदर्शी हो जाती है, जिससे यह अपनी गर्मी को वायुमंडल में कुशलतापूर्वक उत्सर्जित कर पाती है। यह दिन और रात के बीच सतह द्वारा ऊर्जा उत्सर्जित करने की क्षमता में 0.62 का अंतर पैदा करता है, जो इस प्रकार की सामग्री के लिए एक महत्वपूर्ण उछाल है।
यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह अवधारणा वास्तव में बिजली पैदा कर सकती है, टीम ने अपने उपकरण को बाहर ले जाकर पूर्ण दिन और रात के चक्रों के माध्यम से चलाया। उन्होंने दो वातावरणों में सिस्टम का परीक्षण किया: हवा के शीतलन प्रभाव को हटाने के लिए एक उच्च-निर्वात कक्ष (high-vacuum chamber) के अंदर, और खुली हवा में जहाँ संवहन (convection) की भूमिका होती है। निर्वात में, उपकरण ने दोपहर के समय प्रति वर्ग मीटर 1.64 वॉट बिजली उत्पन्न करके अपनी उपयोगिता सिद्ध की। यह एक मानक काली सतह की तुलना में 28 प्रतिशत अधिक बिजली थी जो समान परिस्थितियों में उत्पन्न कर सकती थी। जैसे ही रात हुई, उपकरण ने अपना मोड बदला और फिर से ठंड से बिजली बनाना शुरू कर दिया, जिससे प्रति वर्ग मीटर 26 मिलीवाट बिजली उत्पन्न हुई। यह उस काली सतह की तुलना में 63 प्रतिशत अधिक था जिसने रात में प्रदर्शन किया था। इन दो मोडों के बीच स्विच करने की क्षमता ने उपकरण को बिजली की एक निरंतर धारा उत्पन्न करने की अनुमति दी, जिसमें तापमान अंतर उलटने पर वोल्टेज दिन के दौरान बढ़ता है और रात में नकारात्मक मानों में गिर जाता है।
जब शोधकर्ताओं ने खुले वातावरण में परीक्षण को स्थानांतरित किया, तो हवा के शीतलन प्रभाव के कारण परिणाम थोड़े कम रहे, लेकिन उपकरण फिर भी मानक काली सतह से बेहतर प्रदर्शन करता रहा। गर्मी के एक दिन के दौरान, कोटिंग वाला उपकरण 87 डिग्री सेल्सियस तक पहुँच गया, जबकि बिना कोटिंग वाली काली नमूना केवल 67 डिग्री तक पहुँची। इस अतिरिक्त गर्मी ने दोपहर में 0.48 वॉट प्रति वर्ग मीटर का बिजली उत्पादन किया, जो काले नमूने की तुलना में 14 प्रतिशत का सुधार था। रात में भी, उपकरण ने बिजली उत्पन्न करना जारी रखा, हालांकि हवा की उपस्थिति ने तापमान के अंतर को थोड़ा कम कर दिया। इन वास्तविक दुनिया की चुनौतियों के बावजूद, सिस्टम ने बिजली उत्पादन का एक निरंतर चक्र बनाए रखा, जिससे सिद्ध हुआ कि स्व-अनुकूलित कोटिंग प्रयोगशाला के बाहर भी काम करती है।
अध्ययन ने अपने स्मार्ट कोटिंग की तुलना अन्य विशिष्ट सामग्रियों से भी की ताकि यह देखा जा सके कि वे सैद्धांतिक सीमाओं के कितने करीब हैं। उन्होंने एक लगभग पूर्ण सौर अवशोषक और लिथियम फ्लोराइड से बने एक अत्यधिक चयनात्मक रेडिएटिव कूलर का परीक्षण किया। इन संदर्भ सामग्रियों ने दिखाया कि डिजाइन में अभी भी सुधार की गुंजाइश है, क्योंकि स्मार्ट कोटिंग विशिष्ट एकल-उद्देश्य वाली सामग्रियों के शिखर प्रदर्शन तक नहीं पहुँच सकी। हालांकि, एक ही पैकेज में दोनों काम करने की स्मार्ट कोटिंग की क्षमता, जो स्वचालित रूप से स्विच करती है, एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक एकल उपकरण निर्वात में दिन के दौरान 433 मिलीवोल्ट से लेकर रात के दौरान -62 मिलीवोल्ट तक का ओपन-सर्किट वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है, और खुली हवा में 300 मिलीवोल्ट से -51 मिलीवोल्ट तक। बिजली का यह निरंतर, चौबीस घंटे का चक्र, जो एक ऐसी सामग्री द्वारा संचालित है जो मौसम के जवाब में अपने गुणों को बदल देती है, टिकाऊ, सॉलिड-स्टेट ऊर्जा संचयन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है जिसके लिए न तो चलते हुए पुर्जों और न ही मानवीय हस्तक्षेप की आवश्यकता होती है।
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