High Efficiency in Large Supercurrent Rectification with Superconducting Coil

बिजली की दुनिया में, वे पदार्थ जो बिना किसी प्रतिरोध के करंट का संचालन करते हैं, उन्हें अतिचालक (सुपरकंडक्टर्स) के रूप में जाना जाता है। ये पदार्थ असाधारण हैं क्योंकि ये ऊर्जा को बिना गर्मी खोए अनंत काल तक बहने देते हैं, एक ऐसा गुण जो उन्हें शक्तिशाली चुंबकों और कुशल पावर ग्रिडों के लिए आदर्श बनाता है। हालाँकि, भौतिकी का एक मौलिक नियम लंबे समय से यह मानता आया है कि यह प्रवाह पूरी तरह से सममित (symmetrical) होता है: यदि आप एक तार के माध्यम से एक दिशा में सुपरकरंट भेज सकते हैं, तो आप ठीक उतनी ही मात्रा विपरीत दिशा में भी भेज सकते हैं। इस समरूपता का अर्थ है कि सुपरकंडक्टर्स डायोड की तरह कार्य नहीं कर सकते, जो कि लगभग हर आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में बिजली को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक एक-तरफा वाल्व होते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इस समरूपता को तोड़ने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि एक "सुपरकंडक्टिंग डायोड" बनाया जा सके जो करंट को एक दिशा में आसानी से बहने दे लेकिन दूसरी दिशा में इसे रोक दे। चुनौती यह रही है कि जहाँ शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म, सूक्ष्मदर्शी नमूनों में इन एक-तरफा प्रभावों को बनाने में सफलता प्राप्त की है, वहीं वास्तविक दुनिया के बिजली अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक भारी मात्रा में करंट को संभालने में उन्हें संघर्ष करना पड़ा है।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब तार की एक साधारण कुंडली (coil) का उपयोग करके इस एक-तरफा प्रवाह को प्राप्त करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है, जो महत्वपूर्ण मशीनरी को चलाने के लिए पर्याप्त बड़े करंट को सफलतापूर्वक संभाल सकता है। एक विशेष धातु मिश्र धातु को सर्पिल आकार में लपेटकर और उसे एक चुंबकीय क्षेत्र के भीतर रखकर, टीम ने एक ऐसा उपकरण बनाया जहाँ करंट की दिशा यह निर्धारित करती है कि सामग्री सुपरकंडक्टिंग बनी रहेगी या सामान्य, प्रतिरोधी अवस्था में बदल जाएगी। अपने प्रयोगों में, उन्होंने पाया कि उपकरण ने बिजली के एक विशाल उछाल को एक दिशा में गुजरने दिया जबकि दूसरी दिशा में बहुत कम मात्रा को रोक दिया। यह सफलता यह सुझाव देती है कि सुपरकंडक्टिंग डायोड केवल सूक्ष्म सर्किटों के लिए प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं हैं, बल्कि उन्हें भविष्य की ऊर्जा प्रणालियों के लिए आवश्यक भारी करंट को प्रबंधित करने के लिए बड़े पैमाने पर बनाया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने एक सीधा विचार अपनाया: करंट द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए करना। जब बिजली एक कुंडली के माध्यम से चलती है, तो वह कुंडली के भीतर एक चुंबकीय क्षेत्र बनाती है, बिल्कुल एक सोलेनॉइड की तरह। टीम ने महसूस किया कि यदि वे कुंडली के समानांतर एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं, तो तार के भीतर का कुल चुंबकीय वातावरण इस बात पर निर्भर करेगा कि करंट किस दिशा में बह रहा है। यदि करंट एक दिशा में बहता है, तो उसका अपना चुंबकीय क्षेत्र बाहरी क्षेत्र में जुड़ जाएगा, जिससे कुल चुंबकीय दबाव बढ़ जाएगा। यदि यह दूसरी दिशा में बहता है, तो आंतरिक क्षेत्र बाहरी क्षेत्र को घटा देगा, जिससे दबाव कम हो जाएगा। चूंकि सुपरकंडक्टर्स की एक सीमा होती है कि वे सुपरकंडक्टिंग रहने से पहले कितना चुंबकीय दबाव सहन कर सकते हैं, इसलिए यह सेटअप एक ऐसी स्थिति बनाता है जहाँ सामग्री एक दिशा में भारी करंट को संभाल सकती है, लेकिन दूसरी दिशा में बहुत कम करंट पर विफल हो जाती है।

इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, टीम ने टिन और लेड युक्त सोल्डर मिश्र धातु से बने तार का उपयोग करके एक उपकरण बनाया। उन्होंने इस तार को एक कुंडली में लपेटा और करंट ले जाने के लिए तांबे के लीड्स (leads) से जोड़ा। प्रयोग एक क्रायोस्टेट में किया गया था, जो एक ऐसा उपकरण है जो नमूने को 4.2 केल्विन के अत्यंत ठंडे तापमान पर रखता है, जो परम शून्य (absolute zero) से कुछ ही डिग्री ऊपर है। जब उन्होंने 500 ओर्स्टेड का चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो उन्होंने व्यवहार में एक नाटकीय अंतर देखा। फॉरवर्ड दिशा में, कुंडली ने सामान्य अवस्था में बदलने से पहले 125 से 140 एम्पीयर का करंट प्रवाहित किया। रिवर्स दिशा में, उसी स्विच को होने के लिए करंट बहुत छोटा होना चाहिए था। इसके परिणामस्वरूप 79 से 84 प्रतिशत की रेक्टिफिकेशन दक्षता (rectification efficiency) प्राप्त हुई, जिसका अर्थ है कि उपकरण ने पसंदीदा दिशा में बहुत कम लीकेज के साथ करंट को बहने दिया। ये संख्याएँ एक महत्वपूर्ण छलांग का प्रतिनिधित्व करती हैं, क्योंकि बड़े-करंट वाले सुपरकंडक्टिंग डायोड बनाने के पिछले प्रयासों ने केवल 15 प्रतिशत के आसपास दक्षता प्राप्त की थी।

शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि डिज़ाइन मजबूत और स्केलेबल (scalable) था। उन्होंने विपरीत घुमाव वाली दो कुंडलियों, एक दाहिने हाथ की और एक बाएं हाथ की, का परीक्षण किया और पाया कि दोनों समान रूप से अच्छा प्रदर्शन करती हैं। यह इंगित करता है कि प्रभाव तार के विशिष्ट घुमाव पर नहीं, बल्कि चुंबकीय क्षेत्रों के भौतिकी पर निर्भर करता है। परिणामों की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, उन्होंने चुंबकीय क्षेत्रों को मॉडल करने के लिए सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि व्यवहार उनकी सैद्धांतिक अपेक्षाओं से मेल खाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि महत्वपूर्ण कारक तार के भीतरी किनारे पर चुंबकीय क्षेत्र था, जहाँ दबाव सबसे अधिक था। उच्च करंट को बिना गर्म हुए संभालने के लिए शुद्ध तांबे के लीड्स का उपयोग करके, वे पिछले परीक्षणों की तुलना में बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को अधिक ऊँचा ले जाने में सक्षम रहे, जिससे कुंडली को अपने पूर्ण सामर्थ्य को प्रदर्शित करने का अवसर मिला।

हालाँकि परिणाम प्रभावशाली हैं, टीम इस बात पर ध्यान देने में सावधानी बरतती है कि अभी भी सुधार की गुंजाइश है। दक्षता उस पूर्ण 100 प्रतिशत तक नहीं पहुँची जिसकी उन्होंने उम्मीद की थी, और जब चुंबकीय क्षेत्र बहुत मजबूत हुआ तो फॉरवर्ड दिशा में करंट उतना नहीं बढ़ा जितना कि सरलतम सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी। यह सुझाव देता है कि तार में छोटी खामियां या चुंबकीय क्षेत्र का संरेखण (alignment) प्रदर्शन को सीमित कर रहा है। फिर भी, मूल अवधारणा को बड़े पैमाने पर काम करने के लिए सिद्ध किया गया है। 100 एम्पीयर से अधिक के करंट को उच्च दक्षता के साथ संभालने की क्षमता व्यावहारिक अनुप्रयोगों के द्वार खोलती है। ऐसे उपकरणों का उपयोग सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट को चार्ज करने के लिए संपर्क रहित पंप (contactless pumps) बनाने के लिए किया जा सकता है, जो चुंबकीय प्रशीतन (magnetic refrigeration) और सुपरकंडक्टिंग रोटेटिंग मशीनों जैसी तकनीकों के लिए आवश्यक हैं। यदि इसी तरह के डिजाइनों को उच्च तापमान, जैसे कि तरल नाइट्रोजन के साथ, काम करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, तो वे भविष्य के सुपरकंडक्टिंग पावर ग्रिड में एक महत्वपूर्ण घटक बन सकते हैं, जो अभूतपूर्व दक्षता के साथ ऊर्जा संचारित करने में मदद करेंगे।