Energy-Efficient Seawater Carbon Removal using Reversible Phenazine-Mediated pH Swings: Insights from Experiments, Modeling, and Machine Learning

महासागर की छिपी हुई बैटरी

कल्पive कि पृथ्वी को बुखार आ गया है, और इसका मुख्य कारण कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) नामक एक गैस है जो हमारे वायुमंडल में गर्मी को रोक रही है। वैज्ञानिक इस गैस को हवा से बाहर निकालने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं। एक लोकप्रिय विचार "डायरेक्ट एयर कैप्चर" (Direct Air Capture) है, जो एक विशाल, खाली समुद्र में एक बहुत ही छोटे जाल का उपयोग करके एक विशिष्ट मछली को पकड़ने की कोशिश करने जैसा है। यह कठिन काम है क्योंकि हवा ज्यादातर खाली स्थान है, और मछलियाँ (CO₂) बहुत बिखरी हुई हैं।

लेकिन हमारे पैरों के नीचे कार्बन का एक बहुत बड़ा, घना महासागर है: वास्तविक महासागर। समुद्र ने उस एक चौथाई कार्बन को सोख लिया है जो मनुष्यों ने अब तक आसमान में छोड़ा है। वास्तव में, समुद्र एक पूरे कमरे की हवा में मौजूद कार्बन की तुलना में पानी की एक बूंद में 100 गुना अधिक कार्बन रखता है। यह इस बात को पुख्ता करता है कि महासागर हमारे वायुमंडल को साफ करने के लिए एक आकर्षक लक्ष्य है। हालाँकि, समुद्री जल से कार्बन निकालना मुश्किल है। आप इसे कॉफी के दानों की तरह फिल्टर नहीं कर सकते; आपको पानी की केमिस्ट्री (रसायन विज्ञान) को बदलना होगा ताकि कार्बन एक ऐसी गैस के रूप में "बाहर निकल" सके जिसे आप पकड़ सकें, और फिर पानी को ठीक करना होगा ताकि जब आप उसे वापस डालें तो वह समुद्री जीवन को नुकसान न पहुँचाए।

लंबे समय तक, यह काम करने वाली मशीनें अनाड़ी दिग्गजों की तरह थीं। उन्हें भारी मात्रा में बिजली, महंगे धातु के पुर्जों, या विशेष झिल्लियों (membranes) की आवश्यकता होती थी जो अक्सर खराब हो जाती थीं। इससे भी बुरा यह था कि उनमें से कुछ मशीनें अम्लीय (acidic) पानी छोड़ती थीं जो समुद्री पारिस्थितिकी तंत्र को नुकसान पहुँचा सकता था। वैज्ञानिकों के सामने बड़ा सवाल यह था: क्या हम एक ऐसी मशीन बना सकते हैं जो सौम्य हो, सस्ती हो, और बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करके समुद्र से कार्बन निकाल सके और फिर पानी को उसकी खुशहाल, स्वस्थ अवस्था में वापस ला सके?

पीएच स्विंग स्क्वीज़ (The pH Swing Squeeze)

इस नए अध्ययन में, डेविड क्वाबी, बिन यून और ब्रायन रॉस के नेतृत्व में येल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक प्रोटोटाइप बनाया है जो इस समस्या को हल करने के लिए एक हाई-टेक, प्रतिवर्ती स्पंज (reversible sponge) की तरह काम करता है। उन्होंने अतीत की भारी, महंगी मशीनरी का उपयोग नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक विशेष इलेक्ट्रोड (एक चालक जो पानी को छूता है) बनाया जो कार्बन नैनोट्यूब (छोटे, अत्यंत मजबूत ट्यूब) और फेनाज़ीन (phenazine) नामक एक अणु के मिश्रण से बना है। फेनाज़ीन को एक छोटे, आकार बदलने वाले स्पंज के रूप में सोचें जो प्रोटॉन (छोटे धनात्मक आवेशित कण) को पकड़ना और छोड़ना पसंद करता है।

जादू "पीएच स्विंग" (pH swing) नामक प्रक्रिया के माध्यम से होता है। समुद्र में, कार्बन घुलित अकार्बनिक कार्बन (DIC) के रूप में पानी में छिपा रहता है। इसे बाहर निकालने के लिए, आपको पानी को अम्लीय (कम pH) बनाना होगा ताकि वह छिपा हुआ कार्बन गैस (CO₂) में बदल जाए जो बुलबुलों के रूप में ऊपर उठती है। पानी को वापस सामान्य करने के लिए, आपको इसे क्षारीय (उच्च pH) बनाना होगा। आमतौर पर, ऐसा बार-बार करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है और इससे गंदे उपोत्पाद (byproducts) पैदा होते हैं।

येल की टीम का "स्पंज" इलेक्ट्रोड बहुत चतुर काम करता है। जब वे इसके माध्यम से बिजली प्रवाहित करते हैं, तो फेनाज़ीन के अणु समुद्री जल से प्रोटॉन को पकड़ लेते हैं, जिससे पानी अम्लीय हो जाता है। यह अम्लता छिपे हुए कार्बन को CO₂ गैस में बदलने के लिए मजबूर करती है, जिसे फिर पानी से निकालकर कैप्चर कर लिया जाता है। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: स्पंज केवल प्रोटॉन को पकड़ता ही नहीं है; यह उन्हें वापस भी दे सकता है। जब बिजली को उल्टा किया जाता है, तो फेनाज़ीन प्रोटॉन को छोड़ देता है, जिससे पानी फिर से क्षारीय हो जाता है। यह समुद्र के प्राकृतिक संतुलन को बहाल करता है, जिससे पीछे एक "सौम्य" (benign) क्षारीय पानी बचता है जो बाद में समुद्र को हवा से अधिक CO₂ सोखने में मदद कर सकता है।

लंबी दौड़ और कम ऊर्जा

शोधकर्ताओं ने इसे केवल कुछ मिनटों के लिए नहीं परखा; उन्होंने इसे एक मैराथन की तरह चलाया। उन्होंने एक स्वचालित प्रणाली बनाई जो उनके मशीन के माध्यम से समुद्री जल को बार-बार पंप करती रही।

• सिंथेटिक समुद्री जल (नकली समुद्री जल) में: मशीन ने 95 चक्रों में 56 घंटे तक काम किया। इसने कार्बन का 96% निकाल दिया।
• वास्तविक समुद्री जल (लॉन्ग आइलैंड साउंड से) में: यह 90 चक्रों तक चला, जो 50 घंटों से अधिक रहा, और इसने कार्बन का 79% निकाल दिया।

ऊर्जा की लागत असली चर्चा का विषय थी। मशीन ने हटाए गए प्रत्येक मोल CO₂ के लिए 114.8 और 136.6 kJ के बीच ऊर्जा का उपयोग किया। लेखकों ने उल्लेख किया है कि यह इस प्रकार के इलेक्ट्रोकेमिकल समुद्री कैप्चर के लिए अब तक की सबसे कम ऊर्जा इनपुट और सबसे लंबे चलने का समय है। पुरानी विधियों के विपरीत, जो अम्लीय पानी छोड़ सकती थीं, यह प्रक्रिया पानी को एक सुरक्षित, क्षारीय अवस्था में समुद्र में वापस लौटाती है।

यह क्यों काम करता है (और यह अभी भी पूर्ण क्यों नहीं है)

यह समझने के लिए कि उनका मशीन इतना अच्छा काम क्यों करता है लेकिन अभी भी पूर्ण सैद्धांतिक न्यूनतम से अधिक ऊर्जा का उपयोग क्यों करता है, टीम ने एक कंप्यूटर मॉडल बनाया और डेटा का विश्लेषण करने के लिए एक स्मार्ट कंप्यूटर प्रोग्राम (मशीन लर्निंग) का उपयोग किया।

उन्होंने पाया कि प्रक्रिया भौतिकी के नियमों (ऊष्मागतिकी/thermodynamics) द्वारा सीमित नहीं है; कार्बन को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा वास्तव में काफी कम है। समस्या घर्षण (friction) की है। कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले गलियारे से गुजरने की कोशिश कर रहे हैं। भले ही आप तेज़ हों, यदि भीड़ (प्रोटॉन) आपके रास्ते से जल्दी से नहीं हट सकती, तो आप फंस जाएंगे। मशीन में, "भीड़" वे प्रोटॉन हैं जो इलेक्ट्रोड सामग्री के माध्यम से जाने की कोशिश कर रहे हैं। अध्ययन ने दिखाया कि प्रोटॉन के घूमने की गति (diffusivity) और रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गति (kinetics) ही मुख्य बाधाएं हैं।

मशीन लर्निंग विश्लेषण ने एक जासूस की तरह काम किया, जिसने बताया कि यदि हम इलेक्ट्रोड सामग्री को प्रोटॉन को तेज़ी से गुजरने दे सकें और विद्युत प्रतिरोध (घर्षण) को कम कर सकें, तो ऊर्जा की लागत नाटकीय रूप रूप से गिर सकती है। उन्होंने गणना की कि बेहतर सामग्रियों के साथ, लागत सैद्धांतिक रूप से लगभग $21 प्रति टन CO₂ तक गिर सकती है, जबकि उनके वर्तमान प्रयोगात्मक सेटअप की लागत लगभग $74 प्रति टन है।

इसका क्या अर्थ है

पेपर इस बात पर जोर देता है कि हालांकि उनके द्वारा उपयोग किया गया विशिष्ट "फेनाज़ीन" अणु बहुत अच्छा है, लेकिन वास्तविक सफलता वह ब्लूप्रिंट (खाका) है जो उन्होंने बनाया है। उन्होंने साबित कर दिया है कि आपको इस काम को करने के लिए महंगी कीमती धातुओं या जटिल बाइपोलर झिल्लियों की आवश्यकता नहीं है। आपको बस एक ऐसी सामग्री की आवश्यकता है जो प्रोटॉन को कुशलतापूर्वक इधर-उधर बदल सके।

उन्होंने एक बड़ी समस्या को भी हल किया: अवक्षेपण (precipitation)। कई समुद्री कार्बन हटाने के विचारों में, पानी को क्षारीय बनाने से मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड जैसे खनिज ठोस कीचड़ (जैसे हार्ड वॉटर स्केल) में बदल जाते हैं, जो मशीन को जाम कर देते हैं। येल की टीम ने एक चतुर तरकीब खोजी: उन्होंने अम्लीय चरण के ठीक बाद लेकिन क्षारीय चरण से पहले थोड़ा सा ताज़ा समुद्री जल मिला दिया। इसने पानी को इतना पतला कर दिया कि कीचड़ बनने से रुक गया, जिससे मशीन कई दिनों तक सुचारू रूप से चलती रही।

संक्षेप में, यह पेपर केवल एक ऐसी मशीन नहीं दिखाता जो काम करती है; यह इंजीनियरों के लिए डिजाइन के नियम प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि प्रोटॉन के तेजी से चलने और विद्युत घर्षण को कम करने पर ध्यान केंद्रित करके, हम कम लागत वाले, बड़े पैमाने पर काम करने वाले सिस्टम बना सकते हैं जो समुद्र को खुद को ठीक करने और आसमान से कार्बन खींचने में मदद करें। लैब से खुले समुद्र तक का सफर अभी लंबा है, लेकिन इस अध्ययन ने इंजीनियरों को एक बहुत स्पष्ट मानचित्र थमा दिया है।