Electric Induced Cooling Effect in Printable Thermogalvanic Cells
यह शोध पत्र प्रिंट करने योग्य थर्मोगैल्वेनिक सेल में सॉलिड-स्टेट कूलिंग की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है, जहाँ एक अत्यंत निम्न वोल्टेज उत्क्रमणीय इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं को संचालित कर लगभग 0.1 K की तापमान गिरावट प्राप्त करता है, जो लघु आकार के इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में थर्मल प्रबंधन के लिए एक हल्का और लचीला समाधान प्रदान करता है।
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हम में से अधिकांश लोग अपने भोजन को ताजा रखने या अपने घरों को ठंडा रखने के लिए एक कंप्रेसर की गूंज और रासायनिक गैसों के संचार पर निर्भर रहते हैं। ये पारंपरिक प्रशीतन (रेफ्रिजरेशन) प्रणालियाँ अच्छी तरह से काम करती हैं, लेकिन वे भारी होती हैं, उन्हें जटिल मशीनरी की आवश्यकता होती है, और वे उन सामग्रियों पर निर्भर करती हैं जो पर्यावरण को नुकसान पहुँचा सकती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक एक शांत, हल्के विकल्प की तलाश कर रहे हैं: सॉलिड-स्टेट कूलिंग। यह दृष्टिकोण बिना किसी चलते हुए पुर्जों या हानिकारक गैसों के गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए बिजली का उपयोग करता है। जबकि सॉलिड-स्टेट कूलिंग का एक प्रकार, जिसे थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग के रूप में जाना जाता है, पहले से ही कुछ इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किया जाता है, इसमें अक्सर उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है और यह अपनी स्वयं की अपशिष्ट ऊष्मा उत्पन्न करता है, जो इसकी दक्षता को सीमित करता है। एक अन्य आशाजनक मार्ग में गर्मी को अवशोषित या मुक्त करने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करना शामिल है, एक ऐसी अवधारणा जो हाल ही में एक नए प्रकार के उपकरण के रूप में सिद्धांत से व्यवहार में आई है।
एक हालिया अध्ययन में, लिंकोपिंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार की रासायनिक बैटरी, जिसे थर्मोगैल्वेनिक सेल कहा जाता है, का पता लगाया कि क्या इसका उपयोग कूलिंग के लिए किया जा सकता है। ये सेल आमतौर पर तापमान के छोटे अंतर से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किए गए होते हैं, लेकिन टीम ने इस विपरीत प्रक्रिया की जांच की: तापमान के अंतर को पैदा करने के लिए एक बहुत ही सूक्ष्म विद्युत धारा का उपयोग करना। एक बहुत ही कम वोल्टेज वाले एक साधारण, प्रिंट करने योग्य उपकरण को लागू करके, उन्होंने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि बिजली एक शीतलन प्रभाव (कूलिंग इफेक्ट) उत्पन्न कर सकती है। प्रयोग ने पुष्टि की कि ये उपकरण इलेक्ट्रॉनिक्स के एक विशिष्ट स्थान के तापमान को एक छोटे लेकिन मापने योग्य स्तर तक कम कर सकते हैं, जिससे यह सिद्ध होता है कि इलेक्ट्रॉनिक्स में गर्मी के प्रबंधन के लिए एक नया, हल्का तरीका संभव है।
शोधकर्ताओं ने अपने उपकरणों का निर्माण एक विधि का उपयोग करके किया जो दस्तावेज़ प्रिंट करने के समान है, लेकिन स्याही के बजाय, उन्होंने सक्रिय कार्बन और आयरन-आधारित रसायनों वाले तरल घोल की परतों का उपयोग किया। उन्होंने इन सामग्रियों को पतली एल्युमीनियम शीटों पर प्रिंट किया ताकि दो इलेक्ट्रोड बनाए जा सकें जो एक छोटे अंतराल द्वारा अलग हों। जब उन्होंने केवल कुछ मिलीएम्पियर का सीधा करंट (direct current) लगाया—जो एक मानक बल्ब के लिए आवश्यक मात्रा से बहुत कम है—तो इलेक्ट्रोड पर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं अलग तरह से व्यवहार करने लगीं। एक इलेक्ट्रोड पर, रासायनिक प्रतिक्रिया ने आसपास के वातावरण से गर्मी को अवशोषित किया, जिससे वह स्थान ठंडा हो गया। दूसरे इलेक्ट्रोड पर, विपरीत प्रतिक्रिया ने गर्मी छोड़ी, जिससे वह गर्म हो गया। यह प्रक्रिया विकार (डिऑर्डर), या एंट्रॉपी के प्राकृतिक परिवर्तन द्वारा संचालित होती है, जो तब होती है जब रसायन अपने ऑक्सीकृत (oxidized) और अपचयित (reduced) अवस्थाओं के बीच स्विच करते हैं।
यह समझने के लिए कि यह कूलिंग कितनी अच्छी तरह काम कर रही थी, टीम ने उपकरण के दो संस्करणों का परीक्षण किया। एक संस्करण में कार्बन की एक एकल परत थी, जबकि दूसरे में तीन परतें थीं। मोटाई के अंतर ने उपकरण के विद्युत प्रतिरोध (electrical resistance) को बदल दिया, जो यह है कि सामग्री बिजली के प्रवाह के विरुद्ध कितनी बाधा डालती है। उस उपकरण में जिसमें मोटी, तीन-परत वाला इलेक्ट्रोड था, विद्युत प्रतिरोध कम था। जब शोधकर्ताओं ने इस उपकरण के माध्यम से करंट चलाया, तो कूलिंग प्रभाव स्पष्ट और स्थिर था। करंट बढ़ने के साथ कूलिंग इलेक्ट्रोड का तापमान लगभग 0.04 डिग्री सेल्सियस, या 40 मिलीकेल्विन, कम हो गया। हालांकि, एक परत वाले, पतले डिवाइस में, उच्च विद्युत प्रतिरोध ने एक अलग समस्या पैदा की। जैसे ही करंट प्रवाहित हुआ, प्रतिरोध ने अपनी स्वयं की ऊष्मा उत्पन्न की, जिसे जूल हीटिंग (Joule heating) कहा जाता है। इस अवांछित गर्मी ने कूलिंग प्रभाव को जल्दी से दबा दिया, जिससे करंट बहुत अधिक होने पर उपकरण ठंडा होने के बजाय गर्म होने लगा।
अध्ययन से पता चला कि इस कूलिंग पद्धति की सफलता पूरी तरह से दो प्रतिस्पर्धी बलों के बीच संतुलन बनाने पर निर्भर करती है। एक तरफ, एंट्रॉपी-संचालित कूलिंग है, जो वांछित प्रभाव है जहाँ रासायनिक प्रतिक्रिया गर्मी को दूर खींच लेती है। दूसरी ओर, सामग्रियों के स्वयं के विद्युत प्रतिरोध से उत्पन्न होने वाली गर्मी है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि आंतरिक प्रतिरोध बहुत अधिक है, तो बिजली से उत्पन्न होने वाली गर्मी कूलिंग के लाभ को समाप्त कर देती है। उनके सबसे बेहतर प्रदर्शन करने वाले उपकरण में, कूलिंग पावर लगभग 1.7 मिलीवाट तक पहुँच गई, जो कि बहुत कम ऊर्जा है लेकिन इतने कम वोल्टेज पर काम करने वाले सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण है। उपकरण की दक्षता, जिसे उपयोग की गई बिजली के लिए प्रदान की गई कूलिंग के आधार पर मापा गया, करंट को कम रखने पर 2.5 के मान पर चरम पर थी। इसका अर्थ है कि ऊर्जा की प्रत्येक इकाई डालने के लिए, उपकरण ने 2.5 इकाइयों के बराबर गर्मी को स्थानांतरित किया, जो एक प्रूफ-ऑफ-कांसेप्ट सिस्टम के लिए एक सम्मानजनक आंकड़ा है।
ये निष्कर्ष बताते हैं कि हालांकि यह तकनीक अभी अपने शुरुआती चरणों में है, लेकिन आगे का रास्ता स्पष्ट है। कूलिंग प्रभाव वास्तविक और मापने योग्य है, लेकिन इसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बनाने के लिए, सामग्रियों में सुधार की आवश्यकता है ताकि विद्युत प्रतिरोध को कम किया जा सके। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि प्रिंट की गई परतों की मोटाई को अनुकूलित करके और बेहतर सामग्रियों का चयन करके, वे उस अपशिष्ट ऊष्मा को कम कर सकते हैं जो वर्तमान में प्रदर्शन को सीमित करती है। चूंकि ये उपकरण प्रचुर, गैर-विषाक्त सामग्रियों से बने हैं और इन्हें लचीली सतहों पर प्रिंट किया जा सकता है, इसलिए वे पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स (वियरेबल इलेक्ट्रॉनिक्स) या छोटे सेंसरों को ठंडा करने के लिए एक अनूठा सामर्थ्य प्रदान करते हैं जहाँ पारंपरिक प्रशीतन असंभव है। यह कार्य हल्के, टिकाऊ और कम शक्ति वाली बिजली के साथ काम करने में सक्षम सॉलिड-स्टेट कूलरों को विकसित करने के लिए एक ठोस आधार स्थापित करता है, जिस पर भविष्य के पोर्टेबल उपकरण निर्भर करेंगे।
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