Design and Fabrication of a Laboratory Scale Hydromechanical Surface Floating Waste Collector Using River Flow

नदियाँ हमारे ग्रह की धमनियां हैं, जो पहाड़ों से समुद्र तक पानी ले जाती हैं। लेकिन वे मानव जीवन के अवांछित उपोत्पादों को भी ले जाती हैं: प्लास्टिक की बोतलें, फोम पैकेजिंग और उलझा हुआ मलबा। जब यह कचरा सतह पर तैरता है, तो यह मछलियों, पक्षियों और स्वयं जल की गुणवत्ता के लिए खतरा पैदा करता है। दशकों से, इंजीनियरों ने इस कचरे को पानी से निकालने के लिए मशीनें बनाने की कोशिश की है। इनमें से कई मशीनें अपने मोटरों को चलाने के लिए बिजली या ईंधन पर निर्भर करती हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें पावर केबल, बैटरी या जनरेटर की आवश्यकता होती है। यह उन दूरस्थ नदियों के लिए एक समस्या पैदा करता है जहाँ कोई पावर ग्रिड मौजूद नहीं है, और यह सफाई के प्रयास में लागत और जटिलता जोड़ देता है। चुनौती, फिर, एक ऐसा उपकरण बनाने की है जो केवल पानी में पहले से मौजूद ऊर्जा: स्वयं धारा का उपयोग करके नदी को साफ कर सके।

ईरान में शोधकर्ताओं की एक टीम ने पूरी तरह से नदी के प्रवाह की शक्ति पर चलने वाले एक तैरते हुए कचरा संग्राहक को डिजाइन करके इस समस्या को हल करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने यह परीक्षण करने के लिए एक प्रयोगशाला-स्तर का प्रोटोटाइप बनाया कि क्या एक सरल यांत्रिक प्रणाली बिना किसी बाहरी शक्ति स्रोत के कचरे को रोक सकती है, उसे पानी से ऊपर उठा सकती है और उसे भंडारण बिन में जमा कर सकती है। यह उपकरण एक वॉटर व्हील (जल चक्र) की तरह काम करता है। जैसे ही नदी की धारा एक बड़े घूमते हुए पहिए से जुड़ी ब्लेडों पर प्रहार करती है, पहिया घूमने लगता है। यह घूर्णन यांत्रिक रूप से एक कन्वेयर बेल्ट से जुड़ा होता है जो एक कोण पर स्थित है और पानी से ऊपर की ओर उठती है। जैसे ही पहिया घूमता है, यह बेल्ट को चलाता है, जो एक रैंप की तरह कार्य करती है ताकि तैरते हुए मलबे को नदी से ऊपर उठाकर होल्डिंग टैंक में ले जाया जा सके। शोधकर्ता इस प्रणाली को यथासंभव कुशलता से कार्य करने के लिए पुर्जों के सही संयोजन को खोजना चाहते थे। उन्होंने ब्लेड के विभिन्न आकारों, ब्लेडों की विभिन्न संख्या, कन्वेयर बेल्ट के विभिन्न प्रकारों और रैंप के विभिन्न कोणों का परीक्षण किया, और साथ ही यह भी देखा कि वास्तविक नदी में अलग-अलग गति के दौरान मशीन कैसा प्रदर्शन करती है।

टीम ने एक मजबूत धातु का ढांचा तैयार किया जिसे पानी में सही गहराई पर बैठने के लिए समायोजित किया जा सकता था। सामने की ओर, एक बड़ा पहिया ब्लेड के साथ धारा की प्रतीक्षा करता है। इसके पीछे, कचरा उठाने के लिए एक कन्वेयर प्रणाली तैयार थी। यह सुनिश्चित करने के लिए कि कचरा वास्तव में मशीन तक पहुँचे, उन्होंने लंबे मार्गदर्शक हाथ (guiding arms) लगाए जो बाड़ की तरह काम करते हैं, जो तैरते हुए मलबे को इनटेक की ओर मोड़ते हैं। उन्होंने एक स्मार्ट स्टॉपिंग मैकेनिज्म भी बनाया: यदि कचरा बिन भर जाता है, तो एक सेंसर स्तर का पता लगा लेगा और मशीन को स्वचालित रूप से रोक देगा ताकि ओवरफ्लो को रोका जा सके, जो संकेत देता है कि इसे खाली करने की आवश्यकता है। शोधकर्ता इस उपकरण को ईरान की सफारूद नदी में ले गए। उन्होंने विभिन्न स्थितियों के तहत इसका परीक्षण किया, नदी के प्रवाह में ऊपर की ओर बैडमिंटन शटलकॉक और पाइनकोन से लेकर प्लास्टिक की बोतलों और फोम के टुकड़ों तक विभिन्न प्रकार का कचरा छोड़ा, ताकि यह देखा जा सके कि क्या मशीन उन्हें पकड़ पाती है।

प्रयोगों से पता चला कि सभी डिज़ाइन समान रूप से प्रभावी नहीं थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक कठोर, सीधा मार्गदर्शक हाथ, लचीले हाथ की तुलना में कहीं अधिक बेहतर था, क्योंकि लचीला हाथ धारा में इधर-उधर डोलने लगता था और कचरे को निकलने देता था। उन्होंने यह भी खोजा कि मॉड्यूल के खंडों (modular segments) से बनी कन्वेयर बेल्ट एक चेन प्रणाली की तुलना में बेहतर काम करती है, संभवतः इसलिए क्योंकि ये खंड गीले और फिसलन भरे कचरे के लिए बेहतर पकड़ प्रदान करते हैं। जब कन्वेयर बेलेट के कोण की बात आई, तो 30 डिग्री का हल्का ढलान 60 डिग्री के तीव्र ढलान की तुलना में अधिक प्रभावी साबित हुआ, जिससे कचरा बिना वापस गिरे आसानी से ऊपर चढ़ सका। हालाँकि, सबसे महत्वपूर्ण कारक घूमते हुए पहिये का डिज़ाइन था। जबकि फ्लैट ब्लेड अधिक टॉर्क (घूर्णन बल) उत्पन्न करते थे, शोधकर्ताओं ने पाया कि बारह घुमावदार ब्लेडों के साथ घूमने वाला पहिया समग्र रूप से सर्वोत्तम प्रदर्शन करता है। यह विन्यास पहिये को तेजी से घुमाने और एक निश्चित समय में अधिक वस्तुओं को पकड़ने में सक्षम बनाता है।

जब टीम ने अपने इष्टतम सेटिंग्स के साथ मशीन चलाई, तो परिणाम उत्साहजनक थे। 0.4 मीटर प्रति सेकंड की नदी प्रवाह गति पर, उपकरण ने सामना किए गए तैरते हुए कचरे का 83 प्रतिशत सफलतापूर्वक एकत्र किया। इसने कुछ सामग्रियों के साथ असाधारण प्रदर्शन किया, जिसमें पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थलेट (PET) की बोतलें और विस्तारित पॉलिस्टायरीन (EPS) फोम को 100 प्रतिशत पकड़ा गया, जो नदी के कचरे में आम हैं। इसने 93 प्रतिशत हाई-डेंसिटी पॉलीइथाइलीन (HDPE) और 84 प्रतिशत लो-डेंसिटी पॉलीइथाइलीन (LDPE) को भी पकड़ा। हालाँकि, अध्ययन ने एक स्पष्ट सीमा को भी रेखांकित किया: जैसे-जैसे नदी का प्रवाह तेज होता गया, मशीन कम कुशल होती गई। 1.1 मीटर प्रति सेकंड की गति पर, संग्रह दर गिरकर 71 प्रतिशत हो गई। शोधकर्ताओं ने समझाया कि उच्च गति पर, पानी बहुत तेजी से चलता है जिससे मार्गदर्शक हाथ कचरे को प्रभावी ढंग से निर्देशित नहीं कर पाते, और मलबा मशीन द्वारा उठाए जाने से पहले ही अक्सर उसके पास से फिसल जाता है।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक स्व-संचालित, हाइड्रोमैकेनिकल प्रणाली नदियों को साफ करने के लिए एक व्यवहार्य समाधान है, विशेष रूप से उन क्षेत्रों में जहाँ बिजली उपलब्ध नहीं है या महंगी है। उपकरण ने सिद्ध किया कि वह केवल पानी की गतिज ऊर्जा का उपयोग करके निरंतर कार्य कर सकता है, जो ईंधन से चलने वाली नावों या इलेक्ट्रिक स्कूटरों का एक टिकाऊ विकल्प प्रदान करता है। हालांकि मशीन तेज धाराओं में संघर्ष करती है, मध्यम प्रवाह में इसकी उच्च दक्षता यह सुझाव देती है कि यह कई प्राकृतिक जलमार्गों में कचरे के प्रबंधन के लिए एक मूल्यवान उपकरण हो सकता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि मैकेनिकल पुर्जों को—विशेष रूप से ब्लेड के आकार, ब्लेडों की संख्या और कन्वेयर के कोण को—सावधानीपूर्वक ट्यून करके, एक मजबूत, ऊर्जा-स्वतंत्र क्लीनर बनाया जा सकता है। यह दृष्टिकोण नदियों से महासागरों तक जाने वाले प्लास्टिक की मात्रा को कम करने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, जो नदी की अपनी शक्ति का उपयोग स्वयं को ठीक करने के लिए करता है।