Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

एक ऐसे उपकरण की कल्पना करें जो बिजली उत्पन्न कर सकता है बिना दीवार में प्लग किए या आग के पास बैठे। इसे एक तरफ गर्मी के स्रोत और दूसरी तरफ ठंडी सिंक की आवश्यकता नहीं है, जैसा कि अधिकांश बिजली जनरेटरों को होती है। इसके बजाय, यह पानी और सूरज की रोशनी का उपयोग करके अपना स्वयं का तापमान अंतर बनाता है। यह उन थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटरों का क्षेत्र है जो पानी पर तैरते हैं। वे एक सरल सिद्धांत पर काम करते हैं: जब पानी एक गीली सतह से वाष्पित होता है, तो वह अपने साथ गर्मी ले जाता है, जिससे वह सतह आसपास की हवा की तुलना में ठंडी हो जाती है। यदि कोई सामग्री सूरज की रोशनी को अवशोषित करके गर्म रह सकती है और साथ ही पानी को वाष्पित करके ठंडा भी रह सकती है, तो उसकी सतह पर एक तापमान अंतराल बन जाता है। उस अंतर को सीधे बिजली में बदला जा सकता है। वर्षों से, वैज्ञानिक इन तैरते हुए उपकरणों को अधिक शक्तिशाली बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन उन्हें एक जिद्दी समस्या का सामना करना पड़ा। वही सूरज की रोशनी जो उपकरण को गर्म करती है, उन हिस्सों को भी गर्म कर देती है जिन्हें ठंडा रहना चाहिए, जिससे प्रभावी रूप से उस तापमान अंतर का ही मुकाबला होता है जिस पर उपकरण निर्भर करता है।

जापान के टोकाई यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने उपकरण के कूलिंग साइड (ठंडे हिस्से) को एक विशेष मास्क से उपचारित करके इस समस्या को हल करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने पाया कि कूलिंग क्षेत्र को एक ऐसी सामग्री से ढककर जो सूरज की रोशनी को परावर्तित (reflect) करती है लेकिन पानी को गुजरने देती है, वे उपकरण द्वारा उत्पादित बिजली को दोगुना कर सकते हैं। उनकी सफलता की कुंजी 'डायटोमाइट' नामक एक सामग्री थी, जो सूक्ष्म शैवाल के जीवाश्म शेल से बना एक प्राकृतिक पाउडर है। यह सामग्री स्वाभाविक रूप से छिद्रपूर्ण और सफेद होती है। जब शोधकर्ताओं ने अपने तैरते हुए जनरेटर के कूलिंग साइड पर इसकी एक परत लगाई, तो इसने एक दर्पण की तरह काम किया, सूरज की गर्मी को दूर उछाल दिया, जबकि इसके नन्हे छिद्रों ने पानी को गुजरने और वाष्पित होने की अनुमति दी। परिणाम स्वरूप, एक ऐसा उपकरण बना जो एक तरफ से काफी ठंडा रहा, जिससे एक बहुत बड़ा तापमान अंतराल पैदा हुआ और फलस्वरूप, एक बहुत मजबूत विद्युत संकेत मिला।

यह उपकरण स्वयं सिंगल-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब की एक पतली, स्वतंत्र फिल्म से बना है, जो कार्बन के अविश्वसनीय रूप से छोटे, नली के आकार के रूप हैं। यह फिल्म हल्की, लचीली और तैरने के लिए पर्याप्त मजबूत है। इसे एक प्लास्टिक शीट पर रखा जाता है जिसमें आयताकार छेद कटे होते हैं, जिससे कैपिलरी एक्शन (केशिका क्रिया) द्वारा पानी फिल्म के माध्यम से ऊपर चढ़ पाता है, ठीक वैसे ही जैसे कागज के तौलिये में पानी ऊपर चढ़ता है। जैसे ही पानी फिल्म की सतह तक पहुँचता है, वह वाष्पित हो जाता है, जिससे वह विशिष्ट क्षेत्र ठंडा हो जाता है। फिल्म का बाकी हिस्सा, जो सूरज के संपर्क में है लेकिन पानी के संपर्क में नहीं है, गर्म रहता है। फिल्म के आर-पार तापमान का यह अंतर वोल्टेज उत्पन्न करता है। पिछले संस्करणों में, इस उपकरण की पूरी सतह, जिसमें कूलिंग क्षेत्र भी शामिल था, सूरज की रोशनी को अवशोषित करती थी, जिससे कूलिंग ज़ोन भी गर्म हो जाता था और तापमान के अंतर को कमजोर कर देता था। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि अधिक शक्ति प्राप्त करने के लिए, उन्हें कूलिंग ज़ोन को गर्म होने से रोकना होगा बिना पानी के वाष्पीकरण को रोके।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने तैरते हुए जनरेटर के चार अलग-अलग संस्करण बनाए। पहला एक नियंत्रण उपकरण (control device) था जिसमें कोई मास्क नहीं था। दूसरा, एक ठोस सफेद मास्क से ढका हुआ था जो एक्रिलिक रेजिन से बना था, जो सूरज की रोशनी को अच्छी तरह से परावर्तित करता था लेकिन पानी को गुजरने से रोकता था। तीसरा, एक दो-परत वाला मास्क था जिसमें नीचे की तरफ वही एक्रिलिक रेजिन और ऊपर डायटोमाइट की एक परत थी; यह प्रकाश को परावर्तित करता था लेकिन पानी के मार्ग को अवरुद्ध कर देता था क्योंकि रेजिन ने सतह को सील कर दिया था। चौथा उपकरण केवल डायटोमाइट की परत से ढका गया था, जो प्रकाश को परावर्तित करता है और पानी को इसके प्राकृतिक छिद्रों के माध्यम से गुजरने देता है। उन्होंने सभी चार उपकरणों को पानी के एक पात्र में एक चमकीले कृत्रिम सूर्य के नीचे रखा जो एक साफ दिन की तीव्रता का अनुकरण करता था, और तीस मिनट में उत्पन्न बिजली और वाष्पित होने वाले पानी की मात्रा को मापा।

परिणामों ने एक स्पष्ट विजेता दिखाया। बिना मास्क वाले उपकरण ने 0.25 मिलीवोल्ट का छोटा वोल्टेज उत्पन्न किया। ठोस सफेद मास्क वाले उपकरण, जो सूरज को परावर्तित करते थे लेकिन पानी के प्रवाह को रोक देते थे, ने 0.34 मिलीवोल्ट का थोड़ा अधिक वोल्टेज उत्पन्न किया। यह सुधार सिद्ध करता है कि सूरज की रोशनी को दूर परावर्तित करने से मदद मिली, भले ही इसकी कीमत कुछ वाष्पीकरण में कमी के रूप में चुकानी पड़ी। हालांकि, डायटोमाइट मास्क वाले उपकरण ने, जो सूरज को परावर्तित भी करता था और पानी को गुजरने भी देता था, 0.50 मिलीवोल्ट का वोल्टेज उत्पन्न किया। यह बिना मास्क वाले उपकरण के उत्पादन से ठीक दोगुना था। डायटोमाइट मास्क ने सबसे अधिक पानी को वाष्पित होने दिया, जिसमें तीस मिनट में 670 मिलीग्राम पानी कम हुआ, जबकि बिना मास्क वाले उपकरण के लिए यह 535 मिलीग्राम था। डायटोमाइट की छिद्रपूर्ण संरचना ने उस सतह क्षेत्र को बढ़ा दिया जहाँ पानी वाष्प में बदल सकता है, जिससे शीतलन प्रभाव बढ़ गया, जबकि सफेद रंग ने सूरज की गर्मी को दूर रखा।

शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक विश्लेषण किया कि यह संयोजन इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था। उन्होंने पाया कि शक्ति में वृद्धि दो अलग-अलग स्रोतों से आई जो पूरी तरह से जुड़ गए। पहला स्रोत सूरज की रोशनी का परावर्तन था, जिसने कूलिंग क्षेत्र को गर्म होने से रोका। दूसरा स्रोत पानी का निरंतर वाष्पीकरण था जो छिद्रपूर्ण मास्क के माध्यम से होता था, जो सक्रिय रूप से गर्मी को खींच लेता था। जब उन्होंने उपकरणों की तुलना की, तो उन्होंने देखा कि केवल पानी के माध्यम को बंद करके प्रकाश को परावर्तित करने से मामूली बढ़त मिली, लेकिन परावर्तन बनाए रखते हुए पानी के मार्ग को खोलने से बहुत बड़ी बढ़त मिली। डायटोमाइट मास्क ने एक साथ दोनों काम किए। टीम ने गणना की कि सबसे अच्छे उपकरण में फिल्म के आर-पार तापमान का अंतर 2.60 डिग्री सेल्सियस था, जो बिना मास्क वाले संस्करण के 1.30 डिग्री से दोगुना था। तापमान के इस अंतर के दोगुना होने से सीधे तौर पर विद्युत आउटपुट भी दोगुना हो गया।

यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह पर्यावरण से ऊर्जा संचयन (energy harvesting) में सुधार करने का एक नया तरीका दिखाती है। अधिकांश थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों को एक तरफ से गर्मी की निरंतर आपूर्ति और दूसरी तरफ से ठंड की निरंतर आपूर्ति की आवश्यकता होती है, जो उनके उपयोग को सीमित करती है। अपने स्वयं के तापमान अंतर बनाने वाले उपकरण कहीं भी संचालित हो सकते हैं जहाँ पानी और प्रकाश उपलब्ध हो, जो उन्हें झीलों या महासागरों पर अनअटेंडेड (बिना निगरानी वाले) सेंसरों के लिए आदर्श बनाता है। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि जनरेटर को बेहतर बनाने के लिए आपको उसके मूल पदार्थ को बदलने की आवश्यकता नहीं है; आपको केवल उस सतह को इंजीनियर करने की आवश्यकता है जो कूलिंग साइड की ओर है। एक ऐसी सामग्री का उपयोग करके जो परावर्तक और पारगम्य (permeable) दोनों है, शोधकर्ताओं ने एक कूलिंग परत बनाई है जो किसी भी पिछले डिज़ाइन की तुलना में बहुत अधिक प्रभावी है। डायटोमाइट मास्क, जो प्राकृतिक सिलिका शेल और जिप्सम बाइंडर का एक सरल मिश्रण है, एक आदर्श समाधान साबित हुआ, जो भविष्य के लिए अधिक शक्तिशाली, आत्मनिर्भर ऊर्जा स्रोतों के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।