Dielectric-Ring-Assisted Dual-Cavity Metamaterial Absorber for Ultra-Broadband Solar Absorption and Thermal Emission

सूर्य की ऊर्जा को नियंत्रित करने की खोज लंबे समय से भौतिकी के विरुद्ध एक युद्ध रही है। प्राकृतिक सामग्रियां, चाहे वे काला पेंट हों या पॉलिश की हुई धातु, दो काम एक साथ करने में संघर्ष करती हैं: सूर्य के प्रकाश के हर रंग को बिना किसी परावर्तन के निगल लेना, और फिर उस गर्मी को आकाश की ओर वापस खोए बिना उसे थामे रखना। यह सौर तापीय (सोलर थर्मल) तकनीक के लिए केंद्रीय चुनौती है, जहाँ लक्ष्य प्रकाश को पकड़ना, उसे ऊष्मा में बदलना और फिर उस ऊष्मा का उपयोग बिजली उत्पन्न करने या औद्योगिक प्रक्रियाओं को चलाने के लिए करना है। दशकों से, इंजीनियरों ने एक निराशाजनक समझौते का सामना किया है: एक सामग्री दिन के चमकीले, दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने में तो उत्कृष्ट हो सकती है, लेकिन वह अदृश्य इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) के मामले में बुरी तरह विफल हो जाती है, या इसके विपरीत। इस बाधा को दूर करने के लिए, वैज्ञानिक मेटामटेरियल्स (metamaterials) की ओर मुड़े हैं, जो प्रकृति में नहीं पाए जाते बल्कि मनुष्यों द्वारा सूक्ष्म पैटर्न के साथ बनाए जाते हैं। ये कृत्रिम संरचनाएं प्रकाश को इस तरह से फँसाने के लिए ट्यून की जा सकती हैं जैसे प्राकृतिक पदार्थ नहीं कर सकते, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए एक स्पंज की तरह कार्य करती हैं। इस क्षेत्र का वादा एक ऐसी सतह है जिसे सूर्य के प्रकाश के पूरे स्पेक्ट्रम (पराबैंगनी से लेकर मध्य-इन्फ्रारेड तक) में एक आदर्श अवशोषक के रूप में डिजाइन किया जा सके, और साथ ही एक केंद्रित सौर भट्टी की तीव्र गर्मी में जीवित रहने के लिए पर्याप्त स्थिर भी हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, नॉर्थवेस्ट नॉर्मल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो इस अवधारणा को वास्तविकता के करीब ले जाता है। उन्होंने वलयों (रिंग्स) और सिलेंडरों का एक छोटा, दोहराता हुआ पैटर्न बनाया है, जो एक हाई-टेक सैंडविच की तरह परतों में व्यवस्थित है, जो सौर ऊर्जा के लिए एक लगभग पूर्ण जाल के रूप में कार्य करता है। यह संरचना टाइटेनियम के आधार पर बनी है, जो एक मजबूत धातु है और अत्यधिक गर्मी सहने के लिए जानी जाती है, जिसके ऊपर एल्युमीनियम ऑक्साइड की परतें हैं, जो एक सिरेमिक जैसी सामग्री है। डिज़ाइन का मुख्य भाग संकेंद्रित वलयों (concentric rings) की एक श्रृंखला है, जिसका अर्थ है कि एक वलय दूसरे के भीतर स्थित है, जिसमें बिल्कुल केंद्र में एक ठोस सिलेंडर है। इस विशिष्ट व्यवस्था को जो विशेष बनाता है वह है एक डाइइलेक्ट्रिक रिंग (dielectric ring) का जोड़, जो एक गैर-चालक लूप है और धातु की परतों के बीच स्थित है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह अतिरिक्त वलय केंद्रीय सिलेंडर के साथ मिलकर एक ग्रेडिएंट, या एक सुचारू संक्रमण (smooth transition) पैदा करता है कि सामग्री प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। यह इसे मुक्त स्थान की प्रतिबाधा (impedance of free space) से मेल खाने की अनुमति देता है, जो एक तकनीकी तरीका है यह कहने का कि यह प्रकाश को वापस उछलने दिए बिना अंदर जाने देता है, और फिर इसे विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर होने वाले अनुनाद (resonances) या कंपन के माध्यम से अंदर फँसा लेता है।

टीम ने यह परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया कि यह संरचना पूर्ण स्पेक्ट्रम के प्रकाश के तहत कैसा व्यवहार करेगी, जो 300 नैनोमीटर से 4000 नैनोमीटर तक फैला है। यह रेंज पराबैंगनी, दृश्य और इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के उन हिस्सों को कवर करती है जहाँ सूर्य की ऊर्जा सबसे तीव्र होती है। परिणाम आश्चर्यजनक थे। इन सिमुलेशन में, इस उपकरण ने पूरे बैंड में टकराने वाले प्रकाश का औससे 98.90% हिस्सा अवशोषित किया। पृथ्वी पर आधारित अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक सौर स्पेक्ट्रम, जिसे AM1.5 के रूप में जाना जाता है, के विरुद्ध परीक्षण करने पर, इसने अभी भी 98.06% ऊर्जा को कैप्चर किया। इसे समझने के लिए, यदि आप इस सतह पर सूर्य के प्रकाश की एक विस्तृत किरण चमकाते हैं, तो लगभग हर एक फोटॉन को कैप्चर किया जाएगा और ऊष्मा में बदल दिया जाएगा, जिसमें परावर्तन के कारण बहुत कम नुकसान होगा। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि यदि इस उपकरण को 1000 केल्विन तक गर्म किया जाए, तो यह कितनी अच्छी तरह से ऊष्मा उत्सर्जित करेगा, जो उच्च-दक्षता वाली सौर ऊर्जा प्रणालियों के लिए एक प्रासंगिक तापमान है। उन्होंने पाया कि यह ऊष्मीय ऊर्जा को 99.26% की दक्षता के साथ विकिरित करेगा, जिसका अर्थ है कि यह तापीय ऊर्जा का एक उत्कृष्ट उत्सर्जक भी होगा, जो उन प्रणालियों के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है जिन्हें ऊष्मा प्रवाह का प्रबंधन करने की आवश्यकता होती है।

यह समझने के लिए कि यह डिज़ाइन इतना अच्छा क्यों काम करता है, शोधकर्ताओं ने इसे टुकड़ों में विभाजित किया, संरचना के विभिन्न हिस्सों को हटाकर यह देखा कि प्रत्येक ने क्या योगदान दिया। उन्होंने पाया कि केंद्रीय सिलेंडर और डाइइलेक्ट्रिक रिंग केवल सजावटी नहीं थे; वे ऊर्जा के एक जटिल नृत्य में अनिवार्य साथी थे। जब उन्होंने डाइइलेक्ट्रिक रिंग को हटाया, तो छोटे तरंग दैर्ध्य (जैसे नीले और हरे दृश्य स्पेक्ट्रम) का अवशोषण काफी कम हो गया। यह रिंग एक चुंबकीय अनुनाद गुहा (magnetic resonance cavity) के रूप रूप में कार्य करती है, जो उच्च-ऊर्जा वाले प्रकाश को खींचने और थामने में मदद करती है। जब उन्होंने केंद्रीय सिलेंडर को हटाया, तो लंबे, इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य का अवशोषण प्रभावित हुआ, जिससे पता चला कि सिलेंडर कम-ऊर्जा वाले प्रकाश पर अपनी पकड़ बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है। दोनों को बनाए रखकर, डिवाइस एक सुचारू, सपाट अवशोषण वक्र (absorption curve) बनाता है जो पूरे स्पेक्ट्रम में ऊंचा रहता है, जिससे उन उतार-चढ़ावों से बचा जा सके जो सरल डिजाइनों में आम हैं। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि प्रकाश के विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र धातु और सिरेमिक की परतों के बीच के छोटे अंतराल में तीव्रता से केंद्रित हो जाते हैं, जिससे प्रकाश की ऊर्जा सीधे 'जूल हीटिंग' नामक प्रक्रिया के माध्यम से ऊष्मा में बदल जाती है।

केवल प्रकाश को पकड़ने के अलावा, यह डिज़ाइन वास्तविक दुनिया की स्थितियों के खिलाफ उल्लेखनीय रूप से मजबूत साबित होता है। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि यदि प्रकाश सीधा आने के बजाय एक कोण से टकराता है, तो यह संरचना कैसा प्रदर्शन करेगी, जो आकाश में सूर्य के घूमने के दौरान सामान्य है। डिवाइस ने 60 डिग्री के तीव्र कोण पर भी 90% से अधिक अवशोषण दर बनाए रखी। इसने प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) के संबंध में भी समान रूप से अच्छा प्रदर्शन किया, जिसका अर्थ है कि यह मायने नहीं रखता कि प्रकाश तरंगें पहुँचते समय किस दिशा में उन्मुख हैं। इसके अलावा, टीम ने विश्लेषण किया कि डिज़ाइन विनिर्माण त्रुटियों के प्रति कितना संवेदनशील है। उन्होंने पाया कि वलयों और सिलेंडरों की ऊंचाई या चौड़ाई में छोटे बदलाव, जो उपकरण के भौतिक निर्माण के दौरान हो सकते हैं, इसके प्रदर्शन को बुरी तरह से खराब नहीं करते हैं। संरचना इतनी लचीली है कि यदि सूक्ष्म विवरण पूर्ण नहीं भी हों, तो भी यह अपने इच्छित कार्य के अनुसार कार्य करेगी। सामग्रियों का चुनाव, टाइटेनियम और एल्युमीनियम ऑक्साइड, यह भी सुनिश्चित करता है कि डिवाइस उस उच्च तापमान में जीवित रह सके जिस पर इसे संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, क्योंकि दोनों सामग्रियों का गलनांक 1000 केल्विन के ऑपरेटिंग तापमान से बहुत ऊपर है।

यह कार्य सौर अवशोषक (solar absorbers) के इंजीनियरिंग में एक महत्वपूर्ण कदम है। एक मल्टी-लेयर्ड स्टैक में डाइइलेक्ट्रिक रिंग को केंद्रीय सिलेंडर के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि कैसे अत्यधिक व्यापक स्पेक्ट्रम अवशोषण प्राप्त किया जा सकता है जो अत्यधिक कुशल और भौतिक रूप से स्थिर भी है। सिमुलेशन बताते हैं कि यह डिज़ाइन अगली पीढ़ी के सौर तापीय प्रणालियों के लिए एक आधार बन सकता है, जहाँ सूर्य के प्रकाश के हर संभव अंश को पकड़ना और उसे उपयोगी ऊष्मा में बदलना प्राथमिक लक्ष्य है। हालांकि वर्तमान में परिणाम कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं और अभी तक इन्हें भौतिक प्रयोगशाला में बनाया और परीक्षण नहीं किया गया है, लेकिन अंतर्निहित भौतिकी ठोस है और प्रदर्शन के आंकड़े प्रभावशाली हैं। यह अध्ययन बताता है कि कैसे सूक्ष्म ज्यामिति का सावधानीपूर्वक हेरफेर प्राकृतिक सामग्रियों की सीमाओं को पार कर सकता है, जो ऐसे सौर संग्राहकों (solar collectors) की ओर एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो न केवल अच्छे हैं, बल्कि अपने काम में लगभग पूर्ण हैं।