One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage

सूरज की चिपचिपी समस्या और सूखे नमक का जादू

कल्पना कीजिए कि आप सूरज की ऊर्जा को वैसे ही स्टोर करने की कोशिश कर रहे हैं जैसे आप एक पिग्गी बैंक में पैसे जमा करते हैं। जब सूरज चमक रहा होता है, तो आप उस गर्मी को जितना हो सके पकड़ना चाहते हैं और उसे किसी मुश्किल समय के लिए—या बादलों वाली रात के लिए—बचाकर रखना चाहते हैं। यह केंद्रित सौर ऊर्जा (Concentrated Solar Power - CSP) के पीछे का बड़ा विचार है। वैज्ञानिक विशाल दर्पणों का उपयोग सूर्य के प्रकाश को एक रिसीवर पर केंद्रित करने के लिए करते हैं, जिससे एक विशेष तरल गर्म होता है जो पाइपों के माध्यम से बहता है। यह गर्म तरल फिर बिजली बनाने के लिए एक टर्बाइन को घुमाता है, यहाँ तक कि सूरज ढलने के बाद भी।

समस्या एक आदर्श "पिग्गी बैंक" तरल खोजने की है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने दो सामान्य लवणों (सोडियम नाइट्रेट और पोटेशियम नाइट्रेट) के मिश्रण का उपयोग किया है क्योंकि वे सस्ते हैं और गर्मी को अच्छी तरह से रोक कर रखते हैं। लेकिन उनमें कुछ परेशान करने वाले दोष हैं: वे बहुत ऊंचे तापमान पर जम जाते हैं (जिससे उन्हें शुरू करना कठिन हो जाता है), और यदि वे बहुत अधिक गर्म हो जाते हैं तो वे टूटने और सड़ने लगते हैं, जिससे उनकी ऊर्जा स्टोर करने की क्षमता सीमित हो जाती है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इसमें एक तीसरा घटक जोड़ने की कोशिश की: मैग्नीशियम नाइट्रेट। यह एक सूप में गुप्त मसाला डालने जैसा है ताकि जमने के बिंदु (freezing point) को कम किया जा सके। हालाँकि, मैग्नीशियम नाइट्रेट जिसे वे आमतौर पर खरीदते हैं, वह पानी के अणुओं का एक भारी बैग (एक "हाइड्रेट") साथ लेकर आता है। जब आप इस गीले नमक को पिघलाने की कोशिश करते हैं, तो पानी एक रासायनिक गड़बड़ी पैदा करता है, जिससे एक संक्षारक (corrosive) गंद (gunk) बनता है जो मिश्रण को खराब कर देता है और उच्च तापमान पर इसे अस्थिर बना देता है। चुनौती यह थी: आप नमक को तोड़े बिना या उसे विस्फोट किए बिना पानी को कैसे निकाल सकते हैं?

वन-स्टेप ड्राई-आउट ट्रिक (एक कदम में सुखाने की तरकीब)

इस अध्ययन में, किंगहाई नॉर्मल यूनिवर्सिटी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस "गीले नमक" की समस्या से सीधे निपटने का फैसला किया। वे तीन-नमक वाले मिश्रण (मैग्नीशियम नाइट्रेट, सोडियम नाइट्रेट और पोटेशियम नाइट्रेट) का एक सुपर-स्टेबल, जल-रहित (anhydrous) संस्करण बनाना चाहते थे। सूखे मैग्नीशियम नाइट्रेट को खरीदने (जो महंगा है और जिसे संभालना कठिन है) के बजाय, उन्होंने गीले, सस्ते संस्करण से शुरुआत की और इसे मिश्रण के भीतर ही सुखाने का एक चतुर, एक-चरणीय तरीका खोज निकाला।

गीले मैग्नीशियम नाइट्रेट क्रिस्टल को पानी में भीगे हुए स्पंज की तरह समझें। यदि आप उन्हें बस एक गर्म ओवन में डाल देंगे, तो पानी बहुत तेज़ी से उड़ सकता है, जिससे स्पंज बिखर सकता है या अन्य लवणों के साथ बुरी तरह प्रतिक्रिया कर सकता है। शोधकर्ताओं ने पानी को धीरे से बाहर निकालने के लिए एक विशिष्ट "बेकिंग शेड्यूल" तैयार किया। उन्होंने गीले मैग्नीशियम नाइट्रेट को एक विशेष कंटेनर में रखा और इसे चरणों में गर्म किया। पहले, उन्होंने इसे 150°C तक गर्म किया, फिर 250°C, और अंत में 300°C तक, और प्रत्येक तापमान पर एक निश्चित समय तक उसे बनाए रखा। उन्होंने ऐसा वैक्यूम (बिना हवा वाली जगह) में या गैस के प्रवाह के तहत किया ताकि पानी की वाष्प जैसे ही नमक से बाहर निकले, उसे तुरंत हटा दिया जाए। इस सावधानीपूर्वक, चरण-दर-चरण सुखाने की प्रक्रिया ने गीले, अस्थिर नमक को एक सूखे, स्थिर पाउडर में बदल दिया, बिना उस संक्षारक "गंद" में बदले जो आमतौर पर होता है।

एक बार जब मैग्नीशियम नाइट्रेट सूख गया, तो उन्होंने इसे अन्य दो लवणों के साथ मिलाकर अपना नया "MNK" त्रिक (ternary) पिघला हुआ नमक बनाया। फिर उन्होंने इस नए मिश्रण को यह देखने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजारा कि यह पुराने, गीले संस्करण की तुलना में कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने TG-DSC नामक एक मशीन का उपयोग किया, जो एक सुपर-स्मार्ट तराजू की तरह है जो गर्मी भी मापता है। यह नमक को धीरे-धीरे गर्म करता है और साथ ही इसका वजन भी करता है ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह वजन खो रहा है (जिसका अर्थ होगा कि यह टूट रहा है या पानी खो रहा है) और यह मापता है कि इसे पिघलने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता है।

परिणाम काफी उत्साहजनक थे। नया, सूखा नमक पुराने गीले संस्करण की तुलना में बहुत बेहतर ताप भंडारण सामग्री था। पहला, यह 457.6°C तक पहुँचने तक टूटना शुरू नहीं हुआ, जबकि गीला संस्करण केवल 404.1°C पर ही टूटने लगता था। यह एक बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि आप नमक को बहुत अधिक गर्म कर सकते हैं, जिससे बिना सड़े अधिक ऊर्जा संग्रहीत की जा सकती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सूखा नमक सुरक्षित रूप से 450°C तक काम कर सकता है, जिससे सौर ऊर्जा संयंत्रों के लिए "सुरक्षित क्षेत्र" बढ़ जाता है।

दूसरा, सूखा नमक कम तापमान पर पिघल गया। गीले मिश्रण को तरल बनने के लिए 157.5°C तक पहुँचने की आवश्यकता थी, लेकिन सूखे संस्करण ने 148.2°C पर पिघलना शुरू कर दिया। यह सुबह सिस्टम को शुरू करना आसान बनाता है। इससे भी बेहतर, जब यह पिघला, तो इसने अधिक ऊर्जा अवशोषित की। "लेटेंट हीट ऑफ फ्यूजन" (पिघलते समय यह कितनी ऊर्जा सोखता है) गीले नमक के लिए 66.61 J·g⁻¹ से बढ़कर सूखे नमक के लिए 88.71 J·g⁻¹ हो गई। यह इस बात का महत्वपूर्ण उछाल है कि नमक की "बैटरी पावर" कितनी बढ़ गई है।

टीम ने यह भी जाँच की कि क्या नमक बार-बार गर्म और ठंडा होने के चक्रों को झेल पाएगा, जो दिन-रात के चक्रों का अनुकरण करता है। सूखे नमक को 450°C तक गर्म करने और ठंडा होने देने के बाद, उन्होंने इसका वजन किया। इसने लगभग कोई द्रव्यमान नहीं खोया (300 घंटों तक उच्च ताप पर केवल लगभग 2.01%), जो साबित करता है कि यह बहुत स्थिर था। इसके विपरीत, गीले नमक ने उसी तापमान पर बहुत अधिक द्रव्यमान (8.61%) खो दिया क्योंकि इसके अंदर का पानी बाहर निकल रहा था और नमक विघटित हो रहा था। उन्होंने रासायनिक समस्याओं के संकेतों की भी तलाश की, जैसे कि मैग्नीशियम हाइड्रॉक्सीनाइट्रेट नामक एक संक्षारक उपोत्पाद की उपस्थिति। उन्होंने गीले नमक के नमूनों में यह खराब चीज़ पाई, लेकिन सूखे नमक में यह पूरी तरह से अनुपस्थित थी।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह सरल, एक-चरणीय सुखाने की विधि सौर ऊर्जा के लिए उच्च-प्रदर्शन वाला नमक बनाने का एक व्यवहार्य तरीका है। पानी को नमक के पिघलने से पहले सावधानीपूर्वक हटाकर, उन्होंने एक ऐसी सामग्री बनाई जो पारंपरिक गीले मिश्रण की तुलना में अधिक स्थिर है, अधिक गर्मी रोकती है, और उच्च तापमान को सहन कर सकती है। हालांकि यह पेपर यह दावा नहीं करता है कि यह सभी सौर ऊर्जा समाधानों के लिए अंतिम समाधान है, लेकिन यह सुझाव देता है कि यह विशिष्ट सूखा नमक सौर ऊर्जा भंडारण को अधिक कुशल और विश्वसनीय बनाने के लिए एक बहुत ही मजबूत विकल्प है।