पौधे करोड़ों वर्षों से एक बेहद जटिल काम करते आ रहे हैं। पत्तियां सूरज की रोशनी को ग्रहण करके उसकी ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में बदलती हैं, जिसे जमा करके बाद में इस्तेमाल किया जा सकता है।
इस प्राकृतिक प्रक्रिया से प्रेरित होकर यूरोपीय शोधकर्ताओं की एक टीम ने लगभग 4 साल ऐसी प्रणाली विकसित करने में लगाए हैं, जो सूरज की रोशनी से पानी को विभाजित करती है। इससे ग्रीन हाइड्रोजन बनती है, जिसे जमा करके बाद में ऊर्जा स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।
इस शोध का नेतृत्व करने वाले आयरलैंड की यूनिवर्सिटी कॉलेज कॉर्क के वरिष्ठ वैज्ञानिक डॉ. एल्बे ओ मानाखान के लिए शुरुआत एक ऐसे सवाल से हुई, जो सुनने में बेहद सरल लगता था: क्या एक ही, दोबारा इस्तेमाल की जा सकने वाली, कार्बन-मुक्त मल्टीसेल प्रणाली के जरिए सूरज की रोशनी को सीधे ग्रीन हाइड्रोजन में बदला जा सकता है?
यह काम EU से वित्तपोषित FreeHydroCells परियोजना के तहत किया गया, जिसमें आयरलैंड, फ्रांस, जर्मनी और इटली के शोधकर्ता शामिल हुए।
उन्होंने कहा, “पत्तियां जिस तरह सूरज की रोशनी को ग्रहण करती हैं, उससे प्रेरणा लेकर हम स्वच्छ ऊर्जा पैदा करने का अधिक कुशल और कम खर्चीला तरीका विकसित करना चाहते थे।”
सूरज की रोशनी से हाइड्रोजन तक
जीवाश्म ईंधन से दूरी बनाने की यूरोप की प्रक्रिया में हाइड्रोजन की अहम भूमिका होने की उम्मीद है।
लेकिन नवीकरणीय ऊर्जा से हाइड्रोजन बनाना आसान नहीं है। तथाकथित ग्रीन हाइड्रोजन बनाने के पारंपरिक तरीके में नवीकरणीय बिजली से इलेक्ट्रोलाइजर चलाया जाता है, जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करता है। इसके लिए बिजली पैदा करने और पानी को विभाजित करने की अलग-अलग प्रणालियां चाहिए।
“पत्तियां जिस तरह सूरज की रोशनी को ग्रहण करती हैं, उससे प्रेरणा लेकर हम स्वच्छ ऊर्जा पैदा करने का अधिक कुशल और कम खर्चीला तरीका विकसित करना चाहते थे। एल्बे ओ मानाखान, FreeHydroCells”
FreeHydroCells के शोधकर्ताओं ने अधिक एकीकृत तरीका तलाशा, जिसमें ये दोनों काम एक ही प्रणाली में किए जा सकें। विकास के शुरुआती चरण में मौजूद नए सेमीकंडक्टर पदार्थों से शुरुआत करते हुए उन्होंने ऐसी पूरी प्रणाली बनाने का लक्ष्य रखा, जो जीवाश्म ईंधन पर निर्भर हुए बिना सूरज की रोशनी से पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित कर सके।
इसके लिए वे ऐसे पदार्थों का इस्तेमाल करते हुए दक्षता, किफायतीपन और टिकाऊपन को एक साथ लाना चाहते थे, जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध और पर्यावरण की दृष्टि से टिकाऊ हों। वे यह भी दिखाना चाहते थे कि इस तकनीक को छोटे सेल से बड़े सेल तक ले जाकर बड़े पैमाने पर इस्तेमाल किया जा सकता है और आखिर में उन्हें एक ही काम करने वाली मल्टीसेल प्रणाली में जोड़ा जा सकता है।
पत्ती जैसी प्रक्रिया
शोधकर्ता अपनी तकनीक को प्रकाश संश्लेषण की कृत्रिम नकल के बजाय ‘पत्ती जैसी’ बताते हैं। प्राकृतिक पत्ती सूरज की रोशनी, पानी और CO 2 का इस्तेमाल करके ऐसा जैविक पदार्थ बनाती है, जिसमें ऊर्जा जमा रहती है। इसके विपरीत FreeHydroCells प्रणाली सूरज की रोशनी से एक कार्बन-मुक्त प्रक्रिया चलाती है, जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करती है।
जर्मनी के आखेन स्थित नैनोटेक्नोलॉजी शोध संगठन AMO में सेंसर तकनीक और ऊर्जा रूपांतरण से जुड़े शोध समूहों का नेतृत्व करने वाले डॉ. उलरिख प्लाखेटका ने कहा, “आखिरकार, पत्ती भी सौर ऊर्जा से चलने वाली एक जैव-रासायनिक फैक्टरी है।”
इस प्रणाली के केंद्र में सेमीकंडक्टर पदार्थों की पतली परतें हैं, जिन्हें सूरज की रोशनी सोखने के लिए बनाया गया है। पर्याप्त प्रकाश ऊर्जा सोखने पर विद्युत आवेश पैदा होते हैं, जिन्हें पानी के संपर्क वाले हिस्सों तक पहुंचाया जा सकता है। इससे पानी के अणुओं को विभाजित करने के लिए जरूरी ऊर्जा मिलती है।
दूसरे शब्दों में, इसी समूची प्रणाली के भीतर सूरज की रोशनी को ग्रहण करके हाइड्रोजन के रूप में रासायनिक ऊर्जा में बदला जाता है।
एक सेल से पूरी प्रणाली तक
यह विचार पूरी तरह नया नहीं है। फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल का अध्ययन 5 दशकों से भी अधिक समय से किया जा रहा है, लेकिन इस विचार को व्यावहारिक तकनीक में बदलना कहीं बड़ी चुनौती है।
शोधकर्ताओं को सेमीकंडक्टर पदार्थों, नैनोटेक्नोलॉजी, पानी के विभाजन और ऊर्जा रूपांतरण समेत विशेषज्ञता के कई क्षेत्रों को एक साथ लाना पड़ा। उन्हें कुछ बुनियादी व्यावहारिक सवालों का भी जवाब तलाशना था। क्या यह तकनीक बड़े क्षेत्र में काम कर सकती है? क्या अलग-अलग घटकों को एकीकृत किया जा सकता है? और क्या तैयार प्रणाली को ऐसी प्रक्रियाओं से बनाया जा सकता है जो विनिर्माण के अनुकूल हों?
कई वर्षों में टीम नए उभरते सेमीकंडक्टर पदार्थों और प्रयोगशाला के छोटे सेल से आगे बढ़ते हुए बड़े क्षेत्र वाले बहुपरतीय सेल तक पहुंची और आखिर में उसने पानी को विभाजित करने वाली मल्टीसेल प्रणाली बनाई।
समूची प्रणाली के स्तर पर मिली यह उपलब्धि परियोजना के नतीजों का एक अहम हिस्सा है। शोधकर्ताओं ने केवल एक काम करने वाले सेल का प्रदर्शन करने के बजाय कई घटकों को ऐसी बड़ी प्रणाली में एकीकृत किया है, जिसे भविष्य में विनिर्माण की संभावना ध्यान में रखकर बनाया गया है।
कृत्रिम रूप से तैयार की गई सूरज की रोशनी में हुए परीक्षणों में सौर ऊर्जा से हाइड्रोजन बनाने की दक्षता लगभग 18–21% रही। सूरज की रोशनी से सीधे पानी विभाजित करने वाली प्रणालियों के लिए यह एक मजबूत नतीजा है। पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइजर में पहले बिजली पैदा करनी होती है और फिर उससे पानी विभाजित किया जाता है, लेकिन यह प्रणाली बाहरी विद्युत बायस के बिना चली और इसने ग्रहण की गई सूरज की रोशनी का सीधे इस्तेमाल किया।
यह तकनीक अभी भी प्रौद्योगिकी तत्परता स्तर 4 (TRL 4) पर है। यानी यह परीक्षण के शुरुआती चरण में है और व्यावसायिक इस्तेमाल के लिए तैयार उत्पाद नहीं है। लेकिन शोधकर्ताओं के लिए यह दिखाना एक महत्वपूर्ण कदम था कि अलग-अलग हिस्से बड़े क्षेत्र में एक साथ काम कर सकते हैं।
स्वच्छ हाइड्रोजन को अधिक सुलभ बनाना
हालांकि शोध टीम के लिए केवल दक्षता काफी नहीं है। ग्रीन हाइड्रोजन को जीवाश्म ईंधन का व्यावहारिक विकल्प बनने के लिए किफायती और टिकाऊ भी होना होगा, साथ ही दुर्लभ पदार्थों पर निर्भरता से बचना होगा। FreeHydroCells प्रणाली पतली फिल्म वाली तकनीकों के साथ-साथ प्रचुर मात्रा में उपलब्ध, पर्यावरण की दृष्टि से टिकाऊ और संभावित रूप से रीसायकल किए जा सकने वाले पदार्थों का इस्तेमाल करती है।
शोधकर्ताओं ने बड़े क्षेत्र वाले हल्के घटक विकसित किए हैं, जिन्हें आखिरकार मॉड्यूलर प्रणालियों में जोड़ा जा सकता है। यह ऊर्जा पैदा करने और जमा करने के एक अलग तरीके की ओर इशारा करता है। पूरी तरह बड़ी केंद्रीकृत इकाइयों पर निर्भर रहने के बजाय हाइड्रोजन को संभवतः उस जगह के करीब बनाया जा सकता है, जहां उसकी जरूरत है।
“आखिरकार, पत्ती भी सौर ऊर्जा से चलने वाली एक जैव-रासायनिक फैक्टरी है। उलरिख प्लाखेटका, FreeHydroCells”
लंबी अवधि में शोधकर्ताओं की परिकल्पना ऐसी विकेंद्रीकृत ऊर्जा प्रणालियों की है, जिनसे घर, कारोबार और समुदाय अपनी नवीकरणीय ऊर्जा खुद पैदा और जमा कर सकें। छोटी पवन या जलविद्युत प्रणालियां संभवतः सौर घटक की पूरक बन सकती हैं और सूरज की रोशनी उपलब्ध न होने पर ऊर्जा जमा करने में मदद कर सकती हैं।
ऐसी प्रणाली जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता घटा सकती है। बड़े पैमाने पर इस्तेमाल होने पर यह महंगे बुनियादी ढांचे के जरिए ऊर्जा को लंबी दूरी तक पहुंचाने की जरूरत कम करके मौजूदा ऊर्जा नेटवर्क पर दबाव भी घटा सकती है। इससे ऊर्जा की उपलब्धता, उत्पादन, भंडारण और इस्तेमाल के मामले में समुदायों की मुश्किलों से निपटने की क्षमता भी बढ़ सकती है।
हालांकि फिलहाल यह किसी प्रदर्शित उपयोग के बजाय भविष्य की एक संभावना ही है।
प्रयोगशाला से समुदायों तक
तात्कालिक चुनौती इस तकनीक को प्रयोगशाला में अवधारणा के मौजूदा प्रमाण से आगे ले जाकर अधिक वास्तविक परिस्थितियों में परखने की है।
शोधकर्ताओं का अगला लक्ष्य TRL 5 की ओर बढ़ना और तकनीक को अधिक प्रासंगिक माहौल में प्रदर्शित करना है। इसके लिए प्रणाली को बड़े क्षेत्र तक फैलाना होगा और साथ ही यह सुनिश्चित करना होगा कि इसे कुशलता से बनाया जा सके और आखिरकार बाजार में उतारा जा सके।
ओ मानाखान ने कहा, “हम हल्की प्रणालियों के स्तर पर इसे हासिल करने में सफल रहे हैं। और यह कितना महत्वपूर्ण है, इस पर मैं जितना जोर दूं उतना कम है।”
प्रयोगशाला में अवधारणा के प्रमाण से व्यावसायिक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली ग्रीन हाइड्रोजन तकनीक तक पहुंचने के लिए अभी लंबा रास्ता तय करना है। लेकिन शोधकर्ता इस अवधारणा को प्रौद्योगिकी को साकार करने के चरण से काफी आगे ले जा चुके हैं।
उनकी कृत्रिम पत्ती प्रकृति की पूरी तरह नकल नहीं करती। इसके बजाय वह प्रकृति के सबसे पुराने तरीकों में से एक—सूरज की रोशनी को ग्रहण करके उसे जमा की गई रासायनिक ऊर्जा में बदलना—अपनाती है और इस सिद्धांत को आधुनिक सेमीकंडक्टर तथा विनिर्माण तकनीकों के साथ जोड़ती है।
अगर इस तरीके को पर्याप्त रूप से टिकाऊ, किफायती और बड़े पैमाने पर इस्तेमाल योग्य बनाया जा सका, तो यह आखिरकार ग्रीन हाइड्रोजन बनाने का अधिक सीधा और संभावित रूप से कम प्रभाव वाला तरीका दे सकता है।
यह नवीकरणीय ऊर्जा के उत्पादन और भंडारण को उन जगहों के करीब लाने में मदद कर सकता है, जहां लोग रहते और काम करते हैं। इससे समुदायों को इस बात पर अधिक नियंत्रण मिल सकता है कि उनकी ऊर्जा कैसे पैदा, जमा और इस्तेमाल की जाती है। साथ ही उनका कार्बन फुटप्रिंट, जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता और मौजूदा ऊर्जा नेटवर्क पर दबाव घट सकता है।
इस लेख में बताए गए शोध को EU के Horizon Programme से वित्तपोषण मिला। साक्षात्कार देने वालों के विचार जरूरी नहीं कि European Commission के विचारों को दर्शाते हों। अगर आपको यह लेख पसंद आया, तो कृपया इसे सोशल मीडिया पर साझा करने पर विचार करें।