Mesoscale transport and sustained cooling of dual-network geopolymer foam for coal-fire control
यह अध्ययन प्रयोगात्मक रियोलॉजी (rheology) को मेसोस्केल मॉडलिंग के साथ जोड़कर यह प्रदर्शित करता है कि जबकि ड्यूल-नेटवर्क जियोपॉलिमर फोम की रियोलॉजी मुख्य रूप से अनियमित कोयला-अग्नि रिक्तियों (coal-fire voids) में इंजेक्शन दबाव को निर्धारित करती है, गर्म हो चुके फोम को बदलने के लिए निरंतर इंजेक्शन निरंतर शीतलन (cooling) के लिए आवश्यक है, जिससे स्थिर प्लेसमेंट की तुलना में कोयले के तापमान को कम करने के लिए आवश्यक समय में काफी कमी आती है।
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गहराई में, जहाँ कोयला निकाला जाता है, पृथ्वी टूटे हुए पत्थरों और बचे हुए कोयले के टुकड़ों के एक अराजक परिदृश्य के साथ छोड़ दी जाती है। यह क्षेत्र, जिसे 'गोफ' (goaf) कहा जाता है, अंतराल और सुरंगों की एक भूलभुलैया है। जबकि खनन हमें ऊर्जा प्रदान करता है, यह पीछे एक छिपा हुआ खतरा भी छोड़ देता है: बचा हुआ कोयला धीरे-धीरे अपने आप आग पकड़ सकता है। ऐसा तब होता है जब कोयला हवा में मौजूद ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे गर्मी पैदा होती है जो तब तक बढ़ती रहती है जब जब तक कि वह सुलग न जाए। इसे रोकने के लिए, इंजीनियर अक्सर जमीन में एक विशेष झाग (फोम) पंप करते हैं ताकि खाली जगहों को भरा जा सके, ऑक्सीजन को रोका जा सके और गर्म स्थानों को ठंडा किया जा सके। लेकिन इसमें एक पेच है। झाग इतना गाढ़ा होना चाहिए कि वह अपनी जगह पर बना रहे और हवा को रोक सके, फिर भी इतना तरल होना चाहिए कि वह चट्टानों के बीच की छोटी, घुमावदार दरारों से निकल सके। यदि यह बहुत गाढ़ा है, तो पंप इसे पर्याप्त दूर तक नहीं धकेल पाएंगे; यदि यह बहुत पतला है, तो यह रिस सकता है या दरारों को सील करने में विफल हो सकता है। सही संतुलन बनाना कठिन है क्योंकि भूमिगत दुनिया छिपी हुई है और उसे सीधे देखना असंभव है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया प्रकार का झाग बनाकर और यह परीक्षण करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया कि यह इन छिपे हुए दरारों के माध्यम से कैसे चलता है। उन्होंने एक सामग्री विकसित की जिसे 'डुअल-नेटवर्क जियोपॉलिमर फोम' कहा जाता है, जो कोयला जलाने से निकले उप-उत्पाद 'फ्लाई ऐश' (राख) को पानी और अन्य सामग्रियों के साथ मिलाकर एक स्थिर, ताप-प्रतिरोधी जेल के रूप में बनाया गया है। प्रयोगशाला में, उन्होंने सिद्ध किया कि यह झाग उच्च तापमान को सहन कर सकता है और कोयले को जलने से रोक सकता है। हालाँकि, यह जानना कि झाग एक जार में काम करता है, यह जानने से बहुत अलग है कि यह चट्टानों के एक टेढ़े-मेढ़े, अनियमित नेटवर्क के माध्यम से धकेले जाने पर कैसा व्यवहार करता है। इस अंतर को पाटने के लिए, वैज्ञानिकों ने वास्तविक दुनिया के प्रयोगों को उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़ा। उन्होंने भरे हुए पत्थरों की एक तस्वीर के आधार पर एक डिजिटल मॉडल बनाया ताकि वास्तविक भूमिगत रिक्त स्थानों की नकल की जा सके, और फिर कंप्यूटर स्क्रीन पर देखा कि उनका नया झाग उनके डिजिटल रॉक मेज़ (भूलभुलैया) के माध्यम से कैसे बहता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इस झाग का प्रवाह सरल तरल पदार्थों की तुलना में अधिक जटिल है। पानी के विपरीत, जो आसानी से बहता है, इस झाग में एक "यील्ड स्ट्रेस" (yield stress) होता है, जिसका अर्थ है कि जब तक पर्याप्त दबाव नहीं लगाया जाता, तब तक यह एक ठोस की तरह व्यवहार करता है। एक बार जब यह चलना शुरू कर देता है, तो यह पतला हो जाता है और तेजी से बहने लगता है, जिसे "शीयर थिनिंग" (shear thinning) कहा जाता है। जब टीम ने अपने डिजिटल रॉक मेज़ में झाग डालने का सिमुलेशन किया, तो उन्होंने पाया कि इस गाढ़े, चिपचिपे स्वभाव ने झाग को खाली स्थान भरने से नहीं रोका। वास्तव में, चाहे झाग एक गाढ़े जेल की तरह व्यवहार करे या एक साधारण तरल की तरह, इसने समान समय में खाली स्थान का लगभग उतना ही हिस्सा भरा। अंतर इस बात में नहीं था कि इसने कितनी जगह घेरी, बल्कि इस बात में था कि पंपों को कितनी मेहनत करनी पड़ी। गाढ़े, जेल जैसे झाग को दरारों के माध्यम से धकेलने के लिए पतले तरल की तुलना में काफी अधिक दबाव की आवश्यकता थी। इसका अर्थ यह है कि हालांकि झाग खतरनाक स्थानों तक पहुँच सकता है, लेकिन इसे इंजेक्ट करने के लिए उपयोग की जाने वाली मशीनरी को उस अतिरिक्त प्रतिरोध को पार करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली होना चाहिए।
एक बार जब झाग अपनी जगह पर पहुँच जाता है, तो अगली चुनौती गर्म कोयले को ठंडा करना है। शोधकर्ताओं ने दो रणनीतियों का परीक्षण किया: दरारें भरने के बाद झाग के प्रवाह को रोकना, या ताज़ा, ठंडा झाग क्षेत्र में लगातार धकेलने के लिए पंपों को चालू रखना। परिणामों से पता चला कि प्रवाह को रोकना बहुत कम प्रभावी था। जब इंजेक्शन रुक गया, तो गर्म कोयले के आसपास बैठा झाग धीरे-धीरे गर्म होने लगा, जो एक कंबल की तरह गर्मी को रोक लेता है। कोयले और झाग के बीच तापमान का अंतर कम हो गया, और कूलिंग (ठंडा होना) बहुत धीमी हो गई। इसके विपरीत, जब शोधकर्ताओं ने पंपों को चालू रखा, तो ताज़ा, ठंडा झाग लगातार पुराने गर्म झाग की जगह ले लेता गया। इससे गर्म कोयले के विरुद्ध एक निरंतर ठंडी सामग्री की धारा बनी रही, जिससे एक मजबूत तापमान अंतर बना रहा जो कुशलतापूर्वक गर्मी को दूर खींचता रहा।
सिमुलेशन से पता चला कि इंजेक्शन जारी रखने से कोयले को ठंडा करने के समय में आधे से अधिक की कमी आई। जहाँ 'स्टेप्ड-फ्लो' (प्रवाह रोकने वाली) विधि को कोयले की अतिरिक्त गर्मी को आधा करने में 274 सेकंड लगे, वहीं 'कंटीन्यूअस फ्लो' (निरंतर प्रवाह) ने केवल 132 सेकंड में वही परिणाम प्राप्त किया। एक लंबी अवधि में, निरंतर विधि ने काफी अधिक कुल गर्मी को हटाया, जिससे कोयले का पुन: प्रज्वलन रुक गया। यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि आग नियंत्रण की सफलता दो अलग-अलग चरणों पर निर्भर करती है: सामग्री को दरारों में डालने के लिए प्रारंभिक धक्का, जिसके लिए झाग के गाढ़ेपन को संभालने के लिए शक्तिशाली पंपों की आवश्यकता होती है, और उसके बाद का कूलिंग चरण, जो गर्मी को दूर रखने के लिए सामग्री को लगातार बदलने पर निर्भर करता है। इन दो अलग-अलग जरूरतों को समझकर, इंजीनियर बेहतर सिस्टम डिजाइन कर सकते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि झाग न केवल आग तक पहुँचे, बल्कि उसे बुझाने के लिए पर्याप्त समय तक प्रभावी भी रहे।
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