क्या कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था को खोल सकता है?

प्रकाशसंश्लेषण से प्रेरित ऊर्जा तकनीक

हम जिस ऊर्जा का उपयोग करते हैं, उसका बड़ा हिस्सा सीधे या परोक्ष रूप से प्रकाशसंश्लेषण से जुड़ा है। भोजन में संचित ऊर्जा इसका उदाहरण है। कई जीवाश्म ईंधन भी प्राचीन पौधों, शैवाल और अन्य जीवों में संचित ऊर्जा से बने हैं।

इसलिएप्राकृतिक प्रकाशसंश्लेषण को बेहतर बनाने और शैवाल से जैवईंधन बनाने जैसे नए उपयोगोंपर शोध हो रहा है। इन तकनीकों को बड़े पैमाने पर अपनाने का जलवायु लाभ पूरी प्रक्रिया के ऊर्जा और उत्सर्जन संतुलन पर निर्भर करेगा।

कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण में जीवित कोशिकाओं के बिना प्रकाश की मदद से रासायनिक अभिक्रियाएँ चलाने का प्रयास होता है। इसका उद्देश्य प्रकृति की कुछ उपयोगी प्रक्रियाओं से प्रेरणा लेना है।

फोटोवोल्टिक पैनल प्रकाश से बिजली बनाते हैं, जिसे इलेक्ट्रोलिसिस जैसी रासायनिक प्रक्रियाओं में इस्तेमाल किया जा सकता है। प्रत्यक्ष प्रकाश-प्रेरित अभिक्रियाएँ एक अलग मार्ग हैं; वे अपने आप अधिक दक्ष नहीं होतीं।

JAIST और टोक्यो विश्वविद्यालय के तीन शोधकर्ताओं ने Chemical Communications में एक समीक्षा लेख प्रकाशित किया: “जैवप्रेरित हाइड्रोजेल: कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण के लिए पॉलीमर डिज़ाइन¹”। यह प्रकाशित तरीकों और डिज़ाइन सिद्धांतों की समीक्षा है, औद्योगिक स्तर पर नई उत्पादन प्रणाली के प्रदर्शन का प्रमाण नहीं।

प्रकाशसंश्लेषण कैसे काम करता है?

पौधों में प्रकाशसंश्लेषण सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा से कार्बन डाइऑक्साइड और पानी को कार्बोहाइड्रेट तथा ऑक्सीजन में बदलने वाली प्रक्रियाओं का समूह है।

स्रोत: Britannica

इसका समग्र रासायनिक समीकरण सरल दिख सकता है, लेकिन उससे इसे कृत्रिम रूप से दोहराना आसान नहीं हो जाता।

स्रोत: Britannica

वास्तविक प्रकाशसंश्लेषण में अनेक एंजाइम, मध्यवर्ती अभिक्रियाएँ और इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रक्रियाएँ शामिल हैं।

Britannica का प्रकाशसंश्लेषण संबंधी परिचय भी इसकी जटिलता समझाता है। विस्तृत अध्ययन में कई परस्पर जुड़ी प्रक्रियाओं को समझना पड़ता है।

स्रोत: Lumen Learning

प्रकाश से संचालित उत्प्रेरण का उपयोग कार्बोहाइड्रेट के अलावा अन्य पदार्थ बनाने में भी शोध का विषय है, जैसे पानी से हाइड्रोजन बनाना।

हाइड्रोजन उत्पादन के लिए बायोइंस्पायर्ड हाइड्रोजेल

प्राकृतिक प्रकाशसंश्लेषण की प्रकाश अभिक्रियाओं में पानी का ऑक्सीकरण होता है, जिससे ऑक्सीजन, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन मिलते हैं। H⁺ प्रोटॉन है, हाइड्रोजन परमाणु नहीं। हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए प्रोटॉनों का अपचयन भी जरूरी है। हाइड्रोजेल इस प्रकार की प्रक्रियाओं के लिए शोध का एक माध्यम हैं।

स्रोत: Chemical Communications

समीक्षा में रूथेनियम कॉम्प्लेक्स, प्लेटिनम नैनोकण और पॉलीमर नेटवर्क जैसी संरचनाओं पर चर्चा है। उनका संगठन प्रकाश अवशोषण, इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण और उत्प्रेरण को प्रभावित कर सकता है।

JAIST की शोधार्थी रेइना हागिवारा ने हाइड्रोजेल के भीतर अणुओं को व्यवस्थित करने के महत्व पर जोर दिया। इसका औद्योगिक लाभ सिद्ध करने के लिए स्थिरता और बड़े पैमाने के परीक्षण जरूरी हैं।

स्रोत: Chemical Communications

बेहतर दक्षता

पॉलीमर नेटवर्क उत्प्रेरक घटकों के एकत्र होकर गुच्छे बनाने को सीमित कर सकते हैं। इससे कुछ प्रणालियों में सक्रियता बनाए रखने में मदद मिल सकती है।

JAIST के कोसुके ओकेयोशी ने इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के लिए अणुओं की उचित व्यवस्था और उनके एकत्रीकरण को रोकने को महत्वपूर्ण चुनौती बताया।

कोसुके ओकेयोशी — JAIST के एसोसिएट प्रोफेसर

समीक्षा ऐसी संरचनाओं से प्रकाश-उत्प्रेरण बेहतर करने की संभावनाएँ बताती है। इससे हर पुरानी विधि से श्रेष्ठ या व्यावसायिक रूप से सस्ती हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया सिद्ध नहीं होती।

स्रोत: Chemical Communications

प्रकाश और उत्प्रेरक का प्रबंधन

जेल की संरचना प्रकाश के बिखराव, अवशोषण और उत्प्रेरक से उसके संपर्क को प्रभावित कर सकती है। प्रकाश को सचमुच स्थायी रूप से बंद कर देने की बात नहीं है।

माइक्रोजेल का आकार और उत्प्रेरक घटकों की व्यवस्था डिज़ाइन के महत्वपूर्ण विकल्प हैं। उपयुक्त आकार, प्रकाशीय गुण और स्थिरता को संबंधित प्रणाली में मापना पड़ता है।

स्रोत: Chemical Communications

हाइड्रोजन क्रांति की कुंजी?

कम उत्सर्जन वाली हाइड्रोजन और उससे बनी अमोनिया को ऊर्जा भंडारण तथा कुछ औद्योगिक उपयोगों के लिए विकल्प माना जाता है। उनका जलवायु लाभ उत्पादन विधि पर निर्भर करता है।

रासायनिक रूप में ऊर्जा का भंडारण लंबे समय या कुछ भारी औद्योगिक उपयोगों में उपयोगी हो सकता है। दूसरी ओर, हाइड्रोजन का उत्पादन, परिवहन और पुनः उपयोग ऊर्जा खर्च करते हैं।

इलेक्ट्रोलिसिस में ऊर्जा लगती है और हानियाँ होती हैं। लेकिन यह कहना सही नहीं कि हर प्रणाली में अधिकांश बिजली व्यर्थ चली जाती है। दक्षता उपकरण, संचालन और गणना के आधार पर बदलती है।

सौर बिजली से हाइड्रोजन बनाने में प्रकाश से बिजली और फिर इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा रासायनिक ऊर्जा में रूपांतरण होता है। प्रत्येक चरण की लागत और दक्षता कुल परिणाम को प्रभावित करती है।

ग्रिड से जुड़ी व्यवस्था में DC और AC के बीच रूपांतरण तथा संचरण की हानियाँ भी हो सकती हैं। सीधे जुड़े सौर-इलेक्ट्रोलाइज़र में व्यवस्था अलग हो सकती है।

प्रत्यक्ष प्रकाश-उत्प्रेरण बाहरी बिजली उत्पादन के कुछ चरण घटा सकता है। फिर भी प्रकाश अवशोषण, आवेश पृथक्करण और रासायनिक अभिक्रियाओं जैसे आंतरिक चरण बने रहते हैं।

आगे के कदम

बेहतर पॉलीमर

लेख हाइड्रोजेल में उत्प्रेरक घटकों के संगठन को बेहतर बनाने की संभावनाएँ प्रस्तुत करता है। अलग पॉलीमर, आणविक संरचनाएँ और जैवप्रेरित ढाँचे आगे शोध के विषय हैं।

औद्योगिक उपयोग के लिए दीर्घकालिक स्थिरता, सुरक्षित सामग्री, उत्पादन दर और लागत की जाँच करनी होगी।

हाइड्रोजन से अधिक

प्रकाश से केवल हाइड्रोजन उत्पादन ही नहीं कराया जा सकता। अन्य अभिक्रियाओं पर भी शोध चल रहा है। उदाहरण के लिए, ओसाका के शोधकर्ताओं ने फ्यूमेरिक अम्ल बनाने की एक विधि का अध्ययन किया जिसमें बाइकार्बोनेट और जैवस्रोत से प्राप्त पाइरुविक अम्ल इस्तेमाल किए गए। यह अलग प्रकाश-प्रेरित रासायनिक प्रणाली है।

प्लेटिनम से परे

कुछ हाइड्रोजन उत्पादन प्रणालियाँ प्लेटिनम या रूथेनियम जैसे दुर्लभ धातु घटकों का उपयोग करती हैं। यह प्लेटिनम की मांग का अध्ययन करते समय वाहन उत्प्रेरकों जैसे अन्य उपयोगों के साथ विचार करने योग्य है।

प्लेटिनम की लागत शोधकर्ताओं को कम खर्च वाले विकल्प खोजने के लिए भी प्रेरित करती है।

इसके उदाहरण हमारे लेखों “ निकेल आधारित इलेक्ट्रोलिसिस से हाइड्रोजन उत्पादन में प्रगति” और “धातु की मशीनिंग से निकले कणों के साथ पानी से हाइड्रोजन बनाना” में हैं।

इन विधियों को हाइड्रोजेल के साथ जोड़ना एक संभावित शोध दिशा हो सकती है। अलग-अलग प्रणालियों के परिणामों को सीधे मिलाकर बहुत सस्ता उत्पादन मान लेना उचित नहीं है।

कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण और हाइड्रोजन में निवेश

कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण अभी विकसित हो रहा शोध क्षेत्र है। व्यापक हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था में कई कंपनियाँ सक्रिय हैं, लेकिन उनकी तकनीक और व्यावसायिक स्थिति अलग-अलग है।

प्लेटिनम में भौतिक सिक्कों और बार के माध्यम से निवेश किया जा सकता है। आभूषण की कीमत में निर्माण लागत भी होती है, इसलिए वह शुद्ध धातु निवेश के समान नहीं है।

भौतिक प्लेटिनम रखने वाले सूचीबद्ध निवेश साधनों में abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) और GraniteShares Platinum Trust (PLTM)शामिल हैं। उनकी फीस, संरचना और जोखिम देखना जरूरी है।

हाइड्रोजन से संबंधित कंपनियों के शेयर कई ब्रोकरों से खरीदे जा सकते हैं। securities.ioपर आपको ब्रोकरों की तुलनाएँ मिलेंगी, जैसे अमेरिका, कनाडा, ऑस्ट्रेलियाऔर ब्रिटेन तथा कई अन्य देशों के लिए।

क्षेत्र आधारित फंड भी एक विकल्प हैं। उदाहरण के लिए, VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) दुर्लभ मृदा और रणनीतिक धातुओं की कंपनियों पर केंद्रित है; इसे प्रत्यक्ष प्लेटिनम निवेश नहीं मानना चाहिए। हाइड्रोजन केंद्रित फंडों में Global X Hydrogen ETF (HGEN) और VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) जैसे उदाहरण हैं। विविधीकरण नुकसान की संभावना समाप्त नहीं करता, और फंड की उपलब्धता, शुल्क व संरचना अलग हो सकते हैं।

हाइड्रोजन कंपनी

BLDP मूल्य चार्ट

Ballard ईंधन सेल बनाती है। कंपनी ने 1993 में अपनी पहली ईंधन सेल बस प्रदर्शित की थी।

इसके लक्षित बाजारों में बसें, ट्रक, रेल, समुद्री परिवहन और कुछ भारी उपकरण शामिल हैं। 2023 की निवेशक प्रस्तुति में 2025 तक ट्रकों की भूमिका बढ़ने और यूरोप के प्रमुख बाजार बने रहने के अनुमान थे। ये ऐतिहासिक कारोबारी अनुमान थे, सुनिश्चित परिणाम नहीं।

उसी प्रस्तुति में 2030 के लिए ट्रक ईंधन सेल बाजार के बड़े अवसर का अनुमान दिया गया था। कुल संभावित बाजार और वास्तविक बिक्री अलग हैं; उन्हें कंपनी की सुनिश्चित आय नहीं समझना चाहिए।

स्रोत: Ballard

भारी वाहनों में उच्च ऊर्जा आवश्यकता और कम ईंधन भरने का समय कुछ परिस्थितियों में हाइड्रोजन के पक्ष में हो सकता है। ईंधन सेल वाहन में हाइड्रोजन भरी जाती है, बैटरी की तरह उसे केवल चार्ज नहीं किया जाता।

कुछ रेल मार्गों पर इससे ओवरहेड बिजली तारों की जरूरत घट सकती है। आर्थिक तुलना में बिजली-आधारित रेल और बैटरी विकल्प भी शामिल करने चाहिए।

स्रोत: Ballard

Ballard का अमोनिया से भी संबंध है। इसका उदाहरण 2022 का अनुबंध है, जिसमें Amogy के अमोनिया-से-बिजली प्लेटफॉर्म के लिए ईंधन सेल इंजन देने की बात थी। इसमें अमोनिया को तोड़कर हाइड्रोजन प्राप्त करने की तकनीक शामिल है।

भारी परिवहन का डीकार्बोनाइजेशन चुनौतीपूर्ण है। उपयुक्त तकनीक वाहन के मार्ग, भार, उपयोग और ऊर्जा बुनियादी ढाँचे पर निर्भर करती है।

हाइड्रोजन को नीतिगत समर्थन Ballard के लिए अवसर पैदा कर सकता है। कंपनी का लाभ ऑर्डर, लागत, वित्तीय स्थिति और प्रतिस्पर्धा पर भी निर्भर करेगा।

कम लागत वाली स्वच्छ हाइड्रोजन ईंधन सेल के उपयोग को मदद दे सकती है। इससे किसी खास प्रकाश-उत्प्रेरण विधि के सफल होने या Ballard के लाभ की गारंटी नहीं मिलती।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). बायोइंस्पायर्ड हाइड्रोजेल: कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण की ओर पॉलीमर डिज़ाइन. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}