Continuous harvesting of intermittent and continuous heats by a mixed ion/electron thermoelectric generator using an ionogel blended with carbon nanotube ionogels

द ग्रेट हीट हंट: गर्मी को शक्ति में बदलना

कल्पना कीजिए कि आपका शरीर एक हलचल भरा शहर है। जब भी आप चलते हैं, सोचते हैं, या बस बैठे रहते हैं, आपकी कोशिकाएं ईंधन जलाती हैं, जिससे एक उपोत्पाद (byproduct) बनता है: ऊष्मा (heat)। वास्तव में, हम जो कुछ भी करते हैं—एक कार चलाने से लेकर चाय के लिए पानी उबालने तक—उससे इस तापीय ऊर्जा (thermal energy) की एक विशाल मात्रा बाहर निकलती है। आमतौर पर, यह गर्मी हवा में बह जाती है, एक बर्बाद उपहार जिसे हम उपयोग नहीं कर सकते। वैज्ञानिक लंबे समय से इस "अपशिष्ट ऊष्मा" (waste heat) को पकड़ने और इसे वापस बिजली में बदलने की कोशिश कर रहे हैं, वही बिजली जो हमारे फोन और लाइटों को चलाती है। इस काम के लिए सामान्य संदिग्ध ठोस सामग्रियां हैं जिन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक्स कहा जाता है। इन्हें छोटे, ठोस पुलों के रूप में सोचें जहाँ गर्मी इलेक्ट्रॉनों (छोटे आवेशित कणों) को गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर धकेलती है, जिससे बिजली का प्रवाह बनता है। लेकिन एक पेंच है: ये ठोस पुल अक्सर नखरेबाज होते हैं। वे तब बहुत अच्छा काम करते हैं जब गर्मी तेजी से बदल रही होती है, लेकिन यदि तापमान स्थिर रहता है, तो वे अक्सर बिजली बनाना बंद कर देते हैं। यह एक जल चक्र (water wheel) की तरह है जो बाढ़ आने पर तेजी से घूमता है लेकिन जब पानी का स्तर बिल्कुल सही और स्थिर हो जाता है, तो वह रुक जाता है।

यहाँ एक नया, अजीब विचार आता है: गर्मी निकालने के लिए ऐसे तरल पदार्थों का उपयोग करना जो ठोस की तरह व्यवहार करते हैं (जिन्हें आयोनोजेल कहा जाता है)। ये सामग्रियां आयनों (आवेशित परमाणुओं) से भरी होती हैं जो तापमान के अंतर होने पर हिलना पसंद करते हैं। जब आप तरल के एक छोर को गर्म करते हैं, तो आयन ठंडे पक्ष की ओर दौड़ते हैं, जिससे एक वोल्टेज पैदा होता है। यह बिजली उत्पन्न करने का एक अत्यंत कुशल तरीका है, लेकिन इसमें एक बड़ी खामी है: एक बार जब आयन ठंडे छोर पर जमा हो जाते हैं, तो वे हिलना बंद कर देते हैं, और बिजली भी रुक जाती है। यह एक बाल्टी भरने जैसा है; एक बार जब यह भर जाती है, तो प्रवाह रुक जाता है जब तक कि आप बाल्टी को पलट न दें। इसका मतलब है कि ये "आयनिक" उपकरण केवल तभी गर्मी निकाल सकते हैं जब तापमान लगातार बदल रहा हो, जैसे कि एक टिमटिमाती मोमबत्ती, लेकिन वे एक स्थिर, गर्म सूरज के नीचे शांत हो जाते हैं। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं, वह यह है: क्या हम एक ऐसा उपकरण बना सकते हैं जो इन चलते हुए आयनों की सुपर-कुशल शक्ति का उपयोग करे और बिजली को तब भी बहते रहने दे जब गर्मी पूरी तरह से स्थिर हो?

पेपर की कहानी: धावकों की एक टीम और एक जादुई पुल

नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ सिंगापुर के याओ वांग, क्यू कियान और जियानयोंग ओयांग का यह शोध पत्र कहता है, "हाँ, हम कर सकते हैं!" उन्होंने एक नए प्रकार का जनरेटर बनाया है जिसे मिक्स्ड आयन/इलेक्ट्रॉन थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर, या संक्षेप में MTEG कहा जाता है। यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, एक रिले रेस की कल्पना करें। एक मानक आयनिक उपकरण में, धावक आयन (आवेशित कण) होते हैं जो ऊर्जा की एक छड़ी (baton) ले जाते हैं। वे गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर दौड़ते हैं, लेकिन जैसे ही वे फिनिश लाइन पर पहुँचते हैं, वे फंस जाते हैं, और दौड़ समाप्त हो जाती है। लेखकों ने महसूस किया कि यदि वे एक दूसरी टीम के धावकों को जोड़ सकें—इलेक्ट्रॉन (या इस मामले में, "होल्स", जो भरे जाने का इंतज़ार कर रहे खाली स्थान की तरह हैं)—जो ठंडे पक्ष से गर्म पक्ष की ओर वापस दौड़ सकें, तो वे इस दौड़ को हमेशा के लिए जारी रख सकते हैं।

इसे संभव बनाने के लिए, उन्होंने एक विशेष "जेली" बनाई जिसे आयोनोजेल कहा जाता है। यह जेली एक जिलेटिन नेटवर्क के भीतर फंसे हुए एक तरल नमक (EMIM:DCA) से बनी है। यह जेली आयनों को चलाने में बहुत अच्छी है। लेकिन दूसरी टीम के धावकों को प्राप्त करने के लिए, उन्होंने इसमें सिंगल-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब (SWNTs) नामक सूक्ष्म, बेहद पतली नलिकाएं मिला दीं। इन नैनोट्यूब्स को जेली के माध्यम से बुने हुए एक सूक्ष्म राजमार्ग प्रणाली के रूप में सोचें। जादू तब होता है जब टीम इन ट्यूबों की बिल्कुल सही मात्रा को जेली में मिला देती है।

यहाँ चालाकी भरी बात है: जब टीम एक स्थिर तापमान अंतर (एक गर्म पक्ष और एक ठंडा पक्ष) लागू करती है, तो जेली में आयन ठंडे पक्ष की ओर दौड़ते हैं, जिससे एक बड़ा वोल्टेज पैदा होता है। यह "सोरेट प्रभाव" (Soret effect) है, जो गर्मी से प्रेरित आयन गति का एक फैंसी नाम है। एक सामान्य जेली में, आयन बस ठंडे पक्ष पर जमा हो जाएंगे और रुक जाएंगे। लेकिन इस नए MTEG में, आयनों द्वारा बनाया गया वोल्टेज इतना शक्तिशाली है कि वह "होल्स" (इलेक्ट्रॉनिक आवेशों) को कार्बन नैनोट्यूब राजमार्ग के माध्यम से टनल (tunnel) करने के लिए मजबूर करता है, जिससे वे ठंडे पक्ष से गर्म पक्ष की ओर वापस दौड़ते हैं। यह एक पूर्ण लूप बनाता है: आयन एक दिशा में जाते हैं, होल्स दूसरी दिशा में जाते हैं, और बिजली लगातार बहती रहती है, ठीक एक पारंपरिक जनरेटर की तरह, लेकिन बहुत अधिक शक्ति के साथ।

उन्होंने क्या पाया: सही संतुलन और निरंतर प्रवाह

शोधकर्ताओं ने अपने MTEG का विभिन्न मात्रा में कार्बन नैनोट्यूब के साथ परीक्षण किया, जिससे वे "गोल्डिलॉक्स" ज़ोन (Goldilocks zone) की तलाश कर रहे थे—न बहुत कम, न बहुत अधिक। उन्होंने पाया कि यदि वे बहुत अधिक नैनोट्यूब जोड़ते हैं, तो उपकरण एक मानक इलेक्ट्रॉनिक जनरेटर की तरह काम करता है, जो कम कुशल है। यदि वे कोई नैनोट्यूब नहीं जोड़ते हैं, तो यह पुराने आयनिक उपकरण की तरह व्यवहार करता है जो स्थिर गर्मी के तहत काम करना बंद कर देता है। लेकिन इन ट्यूबों की एक बहुत ही विशिष्ट, सूक्ष्म मात्रा—केवल 0.10 wt% (भार प्रतिशत)—पर, यह उपकरण एक सुपरस्टार बन जाता है।

इस सटीक लोडिंग पर, उपकरण केवल 3 K (लगभग 3 डिग्री सेल्सियस) के तापमान अंतर पर 40 kΩ के लोड पर लगभग 29 mV का स्थिर आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि उपकरण बिना रुके 16 घंटों तक लगातार चलता रहा। इसके विपरीत, पुराना-शैली का आयनिक उपकरण (बिना नैनोट्यूब के) एक घंटे से भी कम समय में अपनी ऊर्जा खो देता और शून्य वोल्टेज पर आ जाता।

टीम ने "थर्मोपावर" (सामग्री कितनी अच्छी तरह गर्मी को वोल्टेज में बदलती है) को मापा और पाया कि यह 11.3 mV·K⁻¹ है। इसे समझने के लिए, यह अंतरिक्ष प्रोब और हाई-टेक गैजेट्स में वर्तमान में उपयोग की जाने वाली सर्वश्रेष्ठ इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों की तुलना में 10 से 100 गुना बेहतर है। उन्होंने पावर डेंसिटी की भी गणना की, जिसमें पाया कि उनके सर्वश्रेष्ठ उपकरण ने 52.2 W·m⁻³ का उत्पादन किया, जो ग्राफीन जैसी विभिन्न सामग्रियों का उपयोग करने वाले पिछले प्रयासों की तुलना में काफी अधिक है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (और यह क्या नहीं है)

लेखक इस बारे में बहुत स्पष्ट हैं कि यह उपकरण क्या नहीं है। यह कोई जादुई बॉक्स नहीं है जो हर स्थिति में बाकी सब से बेहतर काम करता है। उन्होंने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि यह केवल एक पुराने आयनिक कैपेसिटर और एक मानक इलेक्ट्रॉनिक जनरेटर का संयोजन है जो आपस में जुड़े हुए हैं। इसके बजाय, उन्होंने दिखाया कि दो प्रकार के आवेश (आयन और होल्स) एक ही मिश्रित सामग्री में मिलकर काम कर रहे हैं। उन्होंने यह भी स्पष्ट किया कि यह निरंतर बिजली उत्पादन एक विशिष्ट तंत्र पर निर्भर करता है: नैनोट्यूब नेटवर्क के माध्यम से होल्स का "टनलिंग" (tunneling), जो आयनों की गति द्वारा संचालित होता है। यदि नैनोट्यूब बहुत घने हैं, तो यह नाजुक संतुलन टूट जाता है, और उपकरण एक मानक, कम कुशल इलेक्ट्रॉनिक जनरेटर की तरह व्यवहार करने लगता है।

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यह दृष्टिकोण "लो-ग्रेड" अपशिष्ट ऊष्मा (जैसे कि कंप्यूटर चिप, मानव शरीर, या एक गर्म पाइप से निकलने वाली हल्की गर्मी) को इकट्ठा करने का रास्ता खोलता है—जो वर्तमान में पारंपरिक जनरेटरों के लिए बहुत कमजोर या बहुत स्थिर है। हालांकि लेखक यह दावा नहीं करते हैं कि उन्होंने दुनिया के ऊर्जा संकट को हल कर दिया है, लेकिन उन्होंने एक वर्किंग प्रोटोटाइप प्रदर्शित किया है जो निरंतर बिजली की एक निरंतर धारा में हल्की, स्थिर गर्मी को बदल सकता है, जो पहले इस प्रकार की सामग्री के लिए असंभव माना जाता था। मुख्य बात यह है कि एक तरल की आयनों को चलाने की क्षमता को एक ठोस की इलेक्ट्रॉनों को चलाने की क्षमता के साथ मिलाकर, उन्होंने एक हाइब्रिड इंजन बनाया है जो तब तक नहीं रुकता जब तक कि तापमान का अंतर बना रहता है।