Ultra-Broadband Thermal Radiation Management Using a Plasmonic Metamaterial Absorber for Thermophotovoltaic Applications and Solar Sails

सूर्य की ऊर्जा का उपयोग करने की खोज लंबे समय से प्रकाश को पकड़ने और उसे ऊष्मा या बिजली में बदलने पर टिकी रही है, लेकिन एक निरंतर चुनौती बनी हुई है: पूरे स्पेक्ट्रम में उस प्रकाश को कुशलतापूर्वक कैसे अवशोषित किया जाए बिना परावर्तन या ऊष्मा हानि के। आधुनिक भौतिकी के क्षेत्र में, वैज्ञानिकों ने कृत्रिम सामग्रियां विकसित की हैं जिन्हें मेटा-मटेरियल्स (metamaterials) के रूप में जाना जाता है, जो इंजीनियर की गई ऐसी संरचनाएं हैं जिन्हें प्रकाश के साथ उन तरीकों से बातचीत करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो प्राकृतिक सामग्रियों में नहीं होते। धातु और इंसुलेटर के सूक्ष्म पैटर्न को प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (wavelength) से छोटे पैमाने पर व्यवस्थित करके, ये सामग्रियां आने वाले विकिरण को लगभग पूरी तरह से निगल लेने के लिए ट्यून की जा सकती हैं। यह क्षमता सौर पाल (solar sails) जैसी तकनीकों के लिए महत्वपूर्ण है, जो प्रणोदन के लिए सूर्य के प्रकाश के हल्के धक्के का उपयोग करते हैं, और थर्मोफोटोवोल्टिक प्रणालियों के लिए भी, जो ऊष्मा को बिजली में परिवर्तित करती हैं। लक्ष्य एक ऐसी सतह बनाना है जो प्रकाश के लिए एक आदर्श स्पॉन्ज के रूप में कार्य करे, जो गहरे पराबैंगनी (ultraviolet) से दृश्य स्पेक्ट्रम (visible spectrum) और गहरे अवरक्त (infrared) तक ऊर्जा को कैप्चर करे, और साथ ही तीव्र ऊष्मा के तहत स्थिर रहे और इस बात पर निर्भर न रहे कि प्रकाश किस कोण से टकरा रहा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सघन, तीन-परत वाली संरचना को डिजाइन और सिम्युलेट किया है जो तरंग दैर्ध्य की एक असाधारण विस्तृत श्रृंखला में लगभग पूर्ण अवशोषण प्राप्त करती है। यह उपकरण एक सैंडविच की तरह बनाया गया है, जिसमें टंगस्टन की एक निचली परत, सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक मध्य परत और टंगस्टन की एक ऊपरी परत है जिसे एक विशिष्ट ज्यामितीय आकार के साथ पैटर्न किया गया है। इस ऊपरी परत में एक शंकु जैसी संरचना है जो एक स्प्लिट रिंग (split ring) से घिरी हुई है, जो एक रेज़ोनेटर (resonator) बनाती है जो प्रकाश को फंसा लेती है। जब प्रकाश इस सतह से टकराता है, तो संरचना को इस तरह से इंजीनियर किया जाता है कि इसका लगभग कुछ भी वापस नहीं उछलता है, और चूंकि निचली धातु की परत इतनी मोटी है कि वह प्रकाश को गुजरने से रोक सके, इसलिए ऊर्जा के पास जाने के लिए कोई जगह नहीं बचती सिवाय अवशोषित होने और ऊष्मा में बदलने के। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह डिज़ाइन 230 नैनोमीटर से 4000 नैनोमीटर तक की एक विशाल रेंज में टकराने वाले प्रकाश का औसतन 98.43 प्रतिशत अवशोषित करता है। यह गहरे पराबैंगनी, संपूर्ण दृश्य स्पेक्ट्रम और गहरे अवरक्त तक विस्तृत है, जो एक ऐसा बैंडविड्थ है जो पिछले कई डिजाइनों की तुलना में काफी अधिक चौड़ा है।

यह खोज विशेष रूप से कितनी मजबूत है, यह इस तथ्य पर निर्भर नहीं है कि यह किसी एकल, नाजुक अनुनाद (resonance) पर आधारित है, बल्कि यह भौतिक प्रभावों के एक संयोजन पर आधारित है जो परावर्तन को रोकने के लिए मिलकर काम करते हैं। टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह परीक्षण करने के लिए किया कि विभिन्न स्थितियों के तहत संरचना कैसे व्यवहार करती है, जिससे पुष्टि हुई कि जब आने वाले प्रकाश का कोण सीधे सामने से लेकर 70-डिग्री के झुकाव तक बदलता है, तब भी अवशोषण उच्च बना रहता है। इसके अलावा, यह उपकरण प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) के बावजूद समान रूप से काम करता है, जिसका अर्थ है कि यह ऊर्जा को कुशलतापूर्वक कैप्चर करता है चाहे प्रकाश की तरंगें एक दिशा में दोलन कर रही हों या दूसरी दिशा में। चुने गए पदार्थ, टंगस्टन और सिलिकॉन डाइऑक्साइड, अपनी उच्च तापमान सहने की क्षमता के लिए जाने जाते हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि यह अवशोषक अत्यधिक वातावरण में प्रभावी ढंग से कार्य कर सकता है जहाँ अन्य सामग्रियां पिघल सकती हैं या खराब हो सकती हैं। शोधकर्ताओं ने अपने सिमुलेशन परिणामों को तरंगों के एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interference) करने के तरीके पर आधारित एक सैद्धांतिक मॉडल का उपयोग करके सत्यापित किया, और दोनों विधियां बारीकी से मेल खाती हैं, जो डिजाइन की विश्वसनीयता को पुख्ता करती हैं।

इस तरह की सामग्री के संभावित अनुप्रयोग व्यापक हैं, विशेष रूप से सौर ऊर्जा संचयन और अंतरिक्ष अन्वेषण के क्षेत्रों में। सौर तापीय प्रणालियों (solar thermal systems) के लिए, आने वाले लगभग सभी सौर विकिरण को अवशोषित करने और उच्च दक्षता के साथ ऊष्मा में बदलने की क्षमता अधिक शक्तिशाली और सघन ऊर्जा जनरेटर की ओर ले जा सकती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि केंद्रित सूर्य के प्रकाश के तहत, उपकरण 96 प्रतिशत से अधिक की तापीय रूपांतरण दक्षता प्राप्त कर सकता है, जो इसे थर्मोफोटोवोल्टिक सेल को चलाने के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाता है। पृथ्वी से परे, वही गुण जो इसे एक उत्कृष्ट सौर अवशोषक बनाते हैं, उसे सौर पाल (solar sails) के लिए भी एक उपयुक्त उम्मीदवार बनाते हैं। ये पाल बिना ईंधन की आवश्यकता के अंतरिक्ष यान को चलाने के लिए फोटॉन के संवेग (momentum) का उपयोग करते हैं। एक ऐसी सामग्री जिसे आवश्यकतानुसार प्रकाश को अवशोषित या परावर्तित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है, जबकि वह हल्की और टिकाऊ भी है, वह एक पाल की सतह को अधिकतम थ्रस्ट के लिए इंजीनियर करने का एक नया तरीका प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने यह भी दर्शाया कि कैसे उनके अवशोषक को एक बड़े सरणी (array) के रूप में एक सौर पाल बनाने के लिए व्यवस्थित किया जा सकता है, जो इसकी बहुमुखी प्रतिभा को प्रदर्शित करता है।

अन्य हालिया कार्यों के साथ तुलना करते हुए, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जबकि अन्य अध्ययनों ने उच्च अवशोषण दर प्राप्त की है, वे अक्सर तरंग दैर्ध्य की एक संकीर्ण सीमा को कवर करते हैं या अधिक जटिल, बहु-परत वाली संरचनाओं की आवश्यकता होती है। यह नया तीन-परत वाला डिज़ाइन अपनी सरलता और 3770 नैनोमीटर के बैंडविड्थ में उच्च प्रदर्शन बनाए रखने की अपनी क्षमता के लिए विशिष्ट है, जो अधिकांश तुलनीय उपकरणों की तुलना में अधिक चौड़ा है। अध्ययन ने कोई भौतिक प्रोटोटाइप नहीं बनाया, बल्कि केवल कठोर संख्यात्मक सिमुलेशन और सैद्धांतिक सत्यापन पर भरोसा किया, और विभिन्न विश्लेषण विधियों के बीच परिणामों की निरंतरता यह सुझाव देती है कि डिजाइन ठोस है। कम लागत वाली, उच्च-तापमान-स्थिर सामग्रियों और एक सरल ज्यामिति का उपयोग करके, टीम ने एक समाधान प्रस्तुत किया है जिसे वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में निर्मित और तैनात किया जा सकता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे सूक्ष्म संरचनाओं की सावधानीपूर्वक इंजीनियरिंग सूक्ष्म स्तर की समस्याओं को हल कर सकती है, जो बिजली उत्पादन और अंतरिक्ष यात्रा दोनों के लिए सूर्य की ऊर्जा को कैप्चर करने और उपयोग करने के अधिक कुशल तरीकों की ओर एक मार्ग प्रदान करती है।