Additively Manufactured Rectilinear Infilled Carbon-Fibre-Reinforced Polyamide Composite Architectures for Next-Generation Lightweight Wind Turbine Blades

पवन ऊर्जा वैश्विक स्वच्छ शक्ति की ओर बढ़ते बदलाव के एक आधार स्तंभ के रूप में खड़ी है, जो जीवाश्म ईंधन जलाने से जुड़ी प्रदूषण के बिना बिजली उत्पन्न करने का एक तरीका प्रदान करती है। प्रत्येक पवन टरबाइन के केंद्र में उसके ब्लेड होते हैं, जो वे विशाल संरचनाएं हैं जो हवा को पकड़ती हैं और उसे गति में बदल देती हैं। इन मशीनों को कुशलतापूर्वक कार्य करने के लिए, विशेष रूप से जैसे-जैसे वे अधिक ऊर्जा प्राप्त करने के लिए बड़ी होती जा रही हैं, ब्लेडों को अविश्वसनीय रूप से मजबूत लेकिन उल्लेखनीय रूप से हल्का होना चाहिए। यदि वे बहुत भारी हैं, तो टरबाइन घूमने में संघर्ष करते हैं; यदि वे पर्याप्त मजबूत नहीं हैं, तो वे हवा के निरंतर दबाव में टूटने का जोखिम उठाते हैं। पारंपरिक रूप से, इन ब्लेडों को बनाने में जटिल सांचे और भारी सामग्रियों की परतें शामिल होती हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो अपव्ययी और लचीलेपन में अक्षम हो सकती है। हाल ही में, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, या 3D प्रिंटिंग के रूप में जानी जाने वाली एक विधि, एक संभावित समाधान के रूप में उभरी है। यह तकनीक वस्तुओं को परत दर परत बनाती है, जिससे जटिल आकृतियों और बर्बाद होने वाली सामग्री में कमी संभव होती है। हालांकि, पवन ऊर्जा में पारंपरिक तरीकों को बदलने के लिए, उपयोग की जाने वाली सामग्रियों को बाहरी वातावरण की कठोर परिस्थितियों, जिसमें गर्मी, ठंड और घूमने के निरंतर भौतिक तनाव शामिल है, को सहने में सक्षम होना चाहिए।

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान मंडी के शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने के लिए अन्वेषण किया कि क्या एक विशिष्ट प्रकार की 3D-प्रिंटेड सामग्री इन कठिन आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है। उन्होंने एक मिश्रित सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया जिसे पॉलीमाइड नामक एक मजबूत प्लास्टिक में कटे हुए कार्बन फाइबर को मिलाकर बनाया गया था। विनिर्माण की दुनिया में, इस मिश्रण को अक्सर इसके व्यावसायिक नाम 'ओनिक्स' (Onyx) से जाना जाता है। कार्बन फाइबर प्लास्टिक के भीतर एक कंकाल के रूप में कार्य करते हैं, जो अतिरिक्त मजबूती और कठोरता प्रदान करते हैं, जबकि प्लास्टिक सब कुछ एक साथ थामे रखता है। टीम ने फ्यूज्ड फिलामेंट फैब्रिकेशन नामक एक प्रिंटिंग विधि का उपयोग किया, जो इस सामग्री के एक पतले तार को तब तक गर्म करने का काम करती है जब तक कि वह पिघल न जाए और फिर एक आकार बनाने के लिए उसे एक नोजल के माध्यम से बाहर निकालती है। उन्होंने विशेष रूप से 'रेक्टिलिनियर इनफिल' (rectilinear infill) नामक एक पैटर्न का परीक्षण किया, जहाँ सामग्री को सीधी, आगे-पीछे की रेखाओं में बिछाया जाता है, जो बिल्कुल वैसा ही है जैसे एक लॉन मूवर घास के मैदान को कवर करता है। यह पैटर्न इसलिए चुना गया क्योंकि यह संरचना के माध्यम से बलों को समान रूप से वितरित करता है। शोधकर्ताओं ने इस सामग्री के साथ छोटे परीक्षण पीस प्रिंट किए और उन्हें गर्मी, दबाव और प्रभाव के तहत यह देखने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला के अधीन किया कि वे कैसे टिकते हैं, जो एक पवन टरबाइन ब्लेड द्वारा सामना की जाने वाली स्थितियों की नकल करते हैं।

उनके जांच के परिणाम बताते हैं कि यह दृष्टिकोण महत्वपूर्ण संभावना रखता है। जब टीम ने उच्च तापमान पर प्रतिक्रिया देखने के लिए प्रिंट की गई सामग्री को गर्म किया, तो इसने उत्कृष्ट स्थिरता दिखाई। कार्बन फाइबर ने प्लास्टिक के टूटने को रोकने में मदद की, जिसका अर्थ है कि सामग्री संभवतः अपनी आकृति या मजबूती खोए बिना बाहरी वातावरण की उतार-चढ़ाव वाली गर्मी और ठंड में जीवित रह सकती है। सामग्री की आंतरिक संरचना को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक्स-रे विश्लेषण का उपयोग किया, जिससे पता चला कि अणु एक स्थिर, अर्ध-क्रिस्टलीय पैटर्न में व्यवस्थित थे। यह व्यवस्थित व्यवस्था महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इंगित करती है कि सामग्री की परतें प्रिंटिंग के दौरान अच्छी तरह से आपस में जुड़ गईं, जिससे एक ठोस, एकीकृत संरचना बनी, न कि अलग-अलग शीटों का एक कमजोर ढेर।

भौतिक मजबूती के मामले में, प्रिंट की गई सामग्री ने कई अलग-अलग प्रकार के तनावों में प्रभावशाली प्रदर्शन किया। जब इसे खींचकर अलग किया गया, तो सामग्री टूटने से पहले लगभग 33.5 MPa का औसत बल झेल गई। जब इसे दबाया गया, तो इसने लगभग 72.2 MPa का औसत दबाव झेला, जो बिना ढहे भारी भार उठाने की मजबूत क्षमता को प्रदर्शित करता है। सामग्री ने टकराने पर ऊर्जा को अवशोषित करने की भी अच्छी क्षमता दिखाई, जो कि उन ब्लेडों के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है जो ओलावृष्टि, धूल या मलबे का सामना कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इस प्रभाव शक्ति को औसतन 42.1 kJ/m² पर मापा। इसके अलावा, जब इसे मोड़ा गया, तो सामग्री ने 33 MPa तक की फ्लेक्सरल स्ट्रेंथ (flexural strength) के साथ टूटने का विरोध किया, जिससे पता चलता है कि यह हवा के दबाव के कारण होने वाले झुकने वाले बलों को बिना टूटे संभाल सकती है। प्रिंट किए गए टुकड़ों की सतह का भी परीक्षण किया गया, जिससे लगभग 8.65 माइक्रोमीटर की औसत खुरदरापन के साथ एक सुसंगत बनावट का पता चला। चिकनापन का यह स्तर पवन ब्लेडों के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि एक खुरदरी सतह वायु प्रवाह को बाधित कर सकती है और दक्षता कम कर सकती है।

इन सकारात्मक निष्कर्षों के बावजूद, अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि इस तकनीक को अभी भी चुनौतियों का सामना करना पड़ रहा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रिंट किए गए हिस्सों में खाली स्थान की छोटी जेबें, जिन्हें 'वॉयड्स' (voids) कहा जाता है, सामग्री की परतों के बीच बन गए थे। हालांकि टुकड़ों की सतह पर ऐसे बहुत कम अंतराल थे, लेकिन आंतरिक खंडों में अधिक अंतराल थे, जहाँ वॉयड्स का अंश कुछ क्षेत्रों में लगभग 17 प्रतिशत तक पहुँच गया। ये सूक्ष्म अंतराल कमजोर बिंदु के रूप में कार्य कर सकते हैं जहाँ तनाव केंद्रित होता है, जिससे यदि सामग्री को बार-बार झुकने और मुड़ने के अधीन किया जाता है, तो समय के साथ दरारें आ सकती हैं। अध्ययन नोट करता है कि हालांकि सामग्री मजबूत है, लेकिन इन आंतरिक खामियों का मतलब है कि प्रिंटिंग प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए ताकि परतें पूरी तरह से जुड़ सकें। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि सामग्री भंगुर तरीके (brittle manner) से विफल होने की प्रवृत्ति रखती है, जिसका अर्थ है कि यह महत्वपूर्ण रूप से झुकने के बजाय अचानक टूट सकती है, जो कि वास्तविक दुनिया के बड़े ब्लेडों के डिजाइन में प्रबंधित करने योग्य एक विशेषता है।

जैन और शर्मा का कार्य यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने पवन टरबाइन निर्माण की समस्या को रातों-रात हल कर दिया है, लेकिन यह एक स्पष्ट और उत्साहजनक कदम प्रदान करता है। यह सिद्ध करके कि कार्बन-फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक हल्का और मजबूत दोनों हो सकता है, यह अध्ययन पवन टरबाइन ब्लेड बनाने के लिए जो आसान और संभावित रूप से अधिक कुशल हो सकते हैं, दरवाजे खोलता है। भारी सांचों की आवश्यकता के बिना सीधे जटिल आकृतियों को प्रिंट करने की क्षमता, सामग्री की बर्बादी को कम कर सकती है और ऐसे डिजाइनों की अनुमति दे सकती है जो विशेष रूप से उनके द्वारा सामना किए जाने वाले बलों के अनुरूप हों। हालांकि आंतरिक रिक्त स्थान (voids) की उपस्थिति और दीर्घकालिक स्थायित्व पर आगे के परीक्षण की आवश्यकता बनी हुई है, फिर भी निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि यह सामग्री अगली पीढ़ी के नवीकरणीय ऊर्जा बुनियादी ढांचे के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार है। पारंपरिक ब्लेडों को 3D-प्रिंटेड ब्लेडों से बदलने का मार्ग प्रिंटिंग प्रक्रिया को पूर्ण करने और उन आंतरिक अंतरालों को समाप्त करने के लिए और अधिक कार्य की मांग करेगा, लेकिन नींव उस सामग्री के साथ रखी जा चुकी है जो वास्तविक दुनिया में परीक्षण के लिए तैयार है।