Cableless Power Transmission System: Problems and Prospects

एक सदी से अधिक समय से, बिजली के संचार का तरीका एक सरल, अटूट सत्य पर निर्भर रहा है: ऊर्जा एक तार के माध्यम से चलती है। चाहे वह टावरों के बीच खिंचा हुआ तांबे का केबल हो, समुद्र के नीचे बिछी एक भारी लाइन हो, या इलेक्ट्रिक कार में लगा एक लचीला कॉर्ड, कंडक्टर (सुचालक) बिजली के स्रोत और उस उपकरण के बीच एक आवश्यक सेतु होता है जिसे इसकी आवश्यकता है। यह प्रणाली अच्छी तरह से काम करती है, लेकिन यह नाजुक और महंगी भी है। केबल घिस जाते हैं, कट जाते हैं, या उन्हें बिछाने के लिए भूमि और समुद्र के विशाल विस्तार की आवश्यकता होती है। वे ग्रिड का सबसे संभावित हिस्सा हैं जो विफल हो सकते हैं, और उन्हें बनाने की लागत अक्सर उनके द्वारा ले जाई जाने वाली बिजली की लागत से अधिक होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक अलग तरीके का सपना देख रहे हैं: बिना किसी भौतिक संबंध के हवा, पानी या यहाँ तक कि अंतरिक्ष के निर्वात के माध्यम से बिजली भेजना। यह विचार, जिसे केबललेस पावर ट्रांसमिशन (बिना तार के बिजली संचार) कहा जाता है, विज्ञान कथाओं के क्षेत्र से निकलकर वास्तविक इंजीनियरिंग में बदल गया है, जिसमें फोन को वायरलेस तरीके से चार्ज करने वाले उपकरण और उपग्रहों से ऊर्जा भेजने वाले प्रयोग शामिल हैं। फिर भी, इस उत्साह के बावजूद, यह क्षेत्र अलग-थलग अध्ययनों का एक समूह रहा है, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट पद्धति पर ध्यान केंद्रित करता है, बिना इस स्पष्ट चित्र के कि वे सभी एक-दूसरे की तुलना में कैसे हैं या वे वास्तव में कहाँ काम कर सकते हैं।

अटलांटिक इंटरनेशनल यूनिवर्सिटी के मोहम्मद अली का एक नया अध्ययन इन बिखरे हुए टुकड़ों को एक एकल, एकीकृत ढांचे में लाता है। शोधकर्ता ने वायरलेस पावर के पूरे परिदृश्य को मैप करने का प्रयास किया, इसे केवल एक तकनीक के रूप में नहीं बल्कि विभिन्न तरीकों के एक परिवार के रूप में देखा जो दूरी और उपयोग की जाने वाली ऊर्जा के प्रकार के आधार पर अलग-अलग व्यवहार करते हैं। यह शोध पत्र इन विधियों को दो मुख्य समूहों में विभाजित करता है: वे जो कम दूरी पर काम करते हैं, जहाँ ऊर्जा एक छोटे से अंतराल के माध्यम से एक चुंबकीय हाथ मिलाने (magnetic handshake) की तरह पार करती है, और वे जो लंबी दूरी पर काम करते हैं, जहाँ ऊर्जा को एक लेजर या रेडियो तरंग की तरह बीम किया जाता है। इन सभी का परीक्षण करने के लिए एक सुसंगत मॉडल बनाकर, यह अध्ययन बताता है कि प्रत्येक विधि कितनी दूर तक जा सकती है, रास्ते में कितनी ऊर्जा नष्ट होती है, और उन्हें बनाने की वास्तविक लागत क्या होगी। निष्कर्ष गंभीर लेकिन व्यावहारिक हैं। वे दिखाते हैं कि जबकि वायरलेस पावर इलेक्ट्रिक वाहनों को चार्ज करने जैसे अल्प-दूरी के कार्यों के लिए एक परिपक्व और विश्वसनीय समाधान है, लंबी दूरी की बिजली लाइनों के लिए पारंपरिक केबलों को बदलने के मामले में इसे कठिन भौतिक और आर्थिक बाधाओं का सामना करना पड़ता है।

अध्ययन की शुरुआत इस बात को स्पष्ट करने से होती है कि अंतरिक्ष के माध्यम से ऊर्जा कैसे चलती है। कम दूरी के लिए, जैसे कि चार्जिंग पैड के ऊपर खड़ी कार को चार्ज करना, प्रणाली चुंबकीय क्षेत्रों पर निर्भर करती है जो दो कुंडलियों (coils) को आपस में जोड़ते हैं। शोध पुष्टि करता है कि यह जुड़ाव दूरी के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है। जैसे-जैसे अंतराल बढ़ता है, जुड़ाव की शक्ति तेजी से गिरती है, जिसका अर्थ है कि दक्षता बनाए रखने के लिए, चार्जिंग पैड और कार के रिसीवर को बहुत करीब होना चाहिए। सिमुलेशन दिखाते हैं कि एक मानक आकार के चार्जिंग पैड के लिए, यदि लक्ष्य उच्च दक्षता बनाए रखना है, तो अंतराल 22 सेंटीमीटर से अधिक नहीं हो सकता। यदि आप इस दूरी को और बढ़ाने की कोशिश करते हैं, तो ऊर्जा का प्रवाह ढह जाता है, और सिस्टम अव्यवहारिक हो जाता है। यही कारण है कि गैरेज में कारों के लिए वायरलेस चार्जिंग अच्छी तरह से काम करती है लेकिन इसका उपयोग राजमार्ग पर चलते हुए वाहन को चार्ज करने के लिए नहीं किया जा सकता है। अध्ययन यह भी रेखांकित करता है कि भले ही दूरी कम हो, सिस्टम को इस घटना से बचने के लिए सावधानीपूर्वक ट्यून किया जाना चाहिए जहाँ बिजली का प्रवाह लड़खड़ा जाता है या विभाजित हो जाता है, एक ऐसी समस्या जिसे हल करने के लिए स्मार्ट इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता होती है।

जब दूरी कुछ मीटर से अधिक बढ़ जाती है, तो दृष्टिकोण पूरी तरह से बदलना चाहिए। ऊर्जा अब एक चुंबकीय हाथ मिलाने (magnetic handshake) पर निर्भर नहीं रह सकती; इसके बजाय, इसे एक टॉर्च की बीम की तरह एक केंद्रित बीम में बदला जाना चाहिए, और हवा के माध्यम से भेजा जाना चाहिए। शोध पत्र इसे करने के दो मुख्य तरीकों का विश्लेषण करता है: माइक्रोवेव का उपयोग करना या लेजर का उपयोग करना। सिमुलेशन बताते हैं कि यदि एक माइक्रोवेव बीम को 10 किलोमीटर की दूरी तय करनी है और प्राप्त करने वाले छोर पर 98 प्रतिशत ऊर्जा को पकड़ना है, तो ट्रांसमिटिंग और रिसीविंग एंटेना विशाल होने चाहिए, जिनका व्यास लगभग 36 मीटर होना चाहिए। यह कोई छोटा घटक नहीं है; यह एक विशाल संरचना है जो परियोजना की लागत पर हावी होती है। इसके अलावा, अध्ययन दिखाता है कि इन विशाल एंटेना के साथ भी, बिजली संयंत्र से अंतिम उपकरण तक की कुल दक्षता लगभग 51 प्रतिशत तक गिर जाती है। इसका मतलब है कि लगभग आधी ऊर्जा बिजली को बीम में बदलने, उसे भेजने और फिर से परिवर्तित करने की प्रक्रिया में नष्ट हो जाती है। इसके विपरीत, उसी दूरी पर एक पारंपरिक तांबे का केबल केवल 1 से 3 प्रतिशत ऊर्जा ही खोएगा।

इन निष्कर्षों की आर्थिक वास्तविकता अत्यंत स्पष्ट है। शोधकर्ता ने एक विशिष्ट परिदृश्य के लिए वायरलेस लिंक की तुलना एक सबमरीन केबल (समुद्री केबल) से करने के लिए एक विस्तृत लागत मॉडल बनाया: तट से 10 किलोमीटर दूर एक द्वीप सुविधा तक एक मेगावाट बिजली पहुँचाना। परिणाम बताते हैं कि सबमरीन केबल अपने जीवनकाल में संचालित करने के लिए लगभग दोगुना सस्ता है। वायरलेस विकल्प को बनाने में अधिक लागत आती है, इसे ऊर्जा हानि को संभालने के लिए अधिक महंगे उपकरणों की आवश्यकता होती है, और इसमें निरंतर रखरखाव की लागत भी अधिक होती है। इस मामले में वायरलेस विकल्प को चुनने का एकमात्र कारण यह होगा यदि केबल मार्ग भौतिक रूप से निर्माण के लिए असंभव हो या यदि केबल को जल्दी से ठीक नहीं किया जा सके। अध्ययन नोट करता है कि हालांकि वायरलेस लिंक अधिक महंगा है, लेकिन यह एक अनूठा लाभ प्रदान करता है: यदि यह टूट जाता है, तो इसे क्षतिग्रस्त अंडरवॉटर केबल की मरम्मत में लगने वाले हफ्तों या महीनों के बजाय कुछ ही दिनों में ठीक किया जा सकता है। मरम्मत की यह गति वायरलेस विकल्प को कठिन या अस्थायी कनेक्शनों के लिए एक व्यवहार्य 'निश' (विशेष) समाधान बनाती है, भले ही यह मुख्य पावर ग्रिड को प्रतिस्थापित न कर सके।

संख्याओं से परे, यह शोध पत्र उन सुरक्षा और नियामक बाधाओं को भी संबोधित करता है जिन्हें अक्सर अनदेखा किया जाता है। हवा में उच्च-शक्ति वाली बीम भेजने से विकिरण (radiation) के संपर्क में आने संबंधी चिंताएं पैदा होती हैं। अध्ययन गणना करता है कि एक शक्तिशाली माइक्रोवेव ट्रांसमीटर के लिए, एक बड़ा बहिष्करण क्षेत्र (exclusion zone) घेरा जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि आस-पास के लोगों या जानवरों को बिखरी हुई ऊर्जा से नुकसान न पहुंचे। इसी तरह, लेजर बीम आंखों और त्वचा के लिए जोखिम पैदा करते हैं, जिसके लिए सख्त नियंत्रण की आवश्यकता होती है। शोध बताता है कि वर्तमान नियम, जो संचार संकेतों के लिए लिखे गए थे न कि बिजली संचरण के लिए, इंजीनियरों के लिए अनिश्चितता पैदा करते हैं। बिना स्पष्ट नियमों और पावर बीमिंग के लिए रेडियो स्पेक्ट्रम में समर्पित स्थान के, कंपनियों के लिए इन प्रणालियों को वित्तपोषित करना और बनाना कठिन है। अध्ययन का तर्क है कि जब तक ये नियामक ढांचे स्थापित नहीं हो जाते, बड़े पैमाने पर वायरलेस पावर परियोजनाएं निवेशकों के लिए बहुत जोखिम भरी बनी रहेंगी।

भविष्य की ओर देखते हुए, शोध पत्र इस बात की रूपरेखा तैयार करता है कि यह तकनीक वास्तव में कहाँ जा सकती है। अल्प अवधि में, वायरलेस पावर उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए पहले से ही एक सफलता है, जहाँ दूरियां कम हैं और प्लग हटाने की सुविधा मूल्यवान है। मध्यम अवधि में, यह दूरदराज के क्षेत्रों में ड्रोन और सेंसर को शक्ति दे सकता है या कैनयन्स (खाइयों) या दूषित जमीन जैसी कठिन स्थलाकृति के बीच के अंतराल को पाट सकता है। हालाँकि, अंतरिक्ष-आधारित सौर ऊर्जा का सपना, जहाँ उपग्रह कक्षा से पृथ्वी तक ऊर्जा बीम करते हैं, सबसे बड़ी चुनौतियों का सामना कर रहा है। सिमुलेशन दिखाते हैं कि अंतरिक्ष से ऊर्जा को पकड़ने के लिए आवश्यक एंटेना कई किलोमीटर चौड़े होने चाहिए, और ऐसी विशाल संरचनाओं को कक्षा में लॉन्च करने की लागत अभी भी अत्यधिक है। हालांकि अंतरिक्ष से बिजली भेजने का भौतिक विज्ञान काम करता है, लेकिन इसकी अर्थव्यवस्था अभी वैसी नहीं है।

अंततः, यह अध्ययन उस क्षेत्र के लिए एक आवश्यक वास्तविकता की जांच (reality check) के रूप में कार्य करता है जो अक्सर आशावाद से प्रेरित होता है। यह पुष्टि करता है कि वायरलेस पावर तारों का एक जादुई विकल्प नहीं है। यह केबल की तरह महाद्वीपों या महासागरों के पार भारी बिजली नहीं ले जा सकता। इसके बजाय, यह विशिष्ट समस्याओं के लिए एक विशेष उपकरण है जहाँ तार बहुत महंगे, बहुत खतरनाक, या स्थापित करना असंभव हैं। तकनीक उन अल्प-दूरी के अनुप्रयोगों के लिए तैयार है जिन्हें हम पहले से देख रहे हैं, और यह उन कठिन स्थानों के लिए भी आशाजनक है जहाँ ऊर्जा की हानि की लागत से अधिक मार्ग की लागत मायने रखती है। भौतिक विज्ञान को प्रचार (hype) से अलग करके और लागत एवं दक्षता की तुलना करने के लिए एक स्पष्ट, एकीकृत तरीका प्रदान करके, यह शोध इंजीनियरों और नीति निर्माताओं को यह निर्णय लेने के उपकरण देता है कि वायरलेस पावर वास्तव में कहाँ उपयुक्त है और कहाँ नहीं। आगे का रास्ता ग्रिड को बदलना नहीं है, बल्कि उन विशिष्ट, कठिन स्थानों को खोजना है जहाँ एक केबललेस लिंक ही एकमात्र समाधान है जो समझ में आता है।