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पर्यावरण के अनुकूल और कुशल: थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजन कैसे एयरोस्पेस खेल को बदल रहे हैं
थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजन (TASE) एक बार में समझना कठिन लग सकता है। लेकिन मूल रूप से, ये स्टर्लिंग इंजनों के ध्वनिक समकक्ष हैं। इसलिए, TASEs में गहराई से जाने से पहले, हमें स्टर्लिंग इंजनों से शुरू करना होगा।
स्टर्लिंग इंजन क्या है?
नाम इसके आविष्कारक, रिवरेंड रॉबर्ट स्टर्लिंग, से आया है, जिन्होंने पारंपरिक आंतरिक दहन इंजनों से बहुत अलग एक बाहरी हीट इंजन विकसित किया। यह अपने स्टिरिंग चक्र के उपयोग में अलग है, जिसमें तीन मुख्य विशेषताएँ हैं।
- स्टर्लिंग इंजन के भीतर उपयोग किए जाने वाले गैसें कभी इंजन से बाहर नहीं निकलतीं। पेट्रोल या डीजल इंजनों के विपरीत, इन इंजनों में उच्च दबाव वाली गैसों को बाहर निकालने के लिए एग्जॉस्ट वाल्व नहीं होते। इसमें विस्फोट भी नहीं होते। परिणामस्वरूप, स्टर्लिंग इंजन बहुत शांत होते हैं।
- क्योंकि यह एक आंतरिक दहन इंजन नहीं है, इसे बाहरी हीट स्रोत की आवश्यकता होती है। वह हीट स्रोत सूर्य की किरणें, भू‑तापीय गर्मी, पेट्रोल, या सौर ऊर्जा हो सकता है। हीट एक क्षयशील पौधे से भी आ सकता है।
- अंत में, केवल एक फ्लाईव्हील प्रोपेलर को धीरे‑धीरे घुमाकर इंजन को शुरू किया जा सकता है।
स्टर्लिंग इंजनों के निर्माण की इस परंपरा से थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजन या TASEs उत्पन्न हुए, जो स्टर्लिंग इंजनों के ध्वनिक समकक्ष हैं।
TASEs: स्टर्लिंग इंजनों के ध्वनिक समकक्ष
थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजनों ने उनके कम निर्माण लागत, उच्च दक्षता, रखरखाव‑मुक्त विशेषताओं और स्वयं‑प्रारम्भ क्षमता के कारण वैज्ञानिक अनुसंधान में गति और आकर्षण प्राप्त किया है।
थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजनों की सबसे लोकप्रिय श्रेणियों में से एक थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग हीट इंजन या TASHEs हैं। ये उपकरण बहुत उच्च दक्षता दर पर गर्मी को ध्वनिक शक्ति में बदल सकते हैं। इसकी संभावनाएँ इस तथ्य में निहित हैं कि इसमें कोई चलने वाले भाग नहीं होते, और घटक अपेक्षाकृत सरल होते हैं। ये सिस्टम निर्माण और रखरखाव में कम लागत वाले होते हैं। कई लोग इसे स्वच्छ और प्रभावी ऊर्जा उत्पन्न करने के साधन के रूप में पसंद करते हैं।
TASHEs कैसे काम करते हैं?
इन इंजनों में ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया रेजेनेरेटर में होती है। रेजेनेरेटर एक छिद्रयुक्त धातु ब्लॉक होता है जो एक गर्म हीट एक्सचेंजर (HHX) और एक ठंडा या परिवेशीय हीट एक्सचेंजर के बीच स्थित होता है। दोनों सिरों पर ऐसी व्यवस्था औसत तापमान ग्रेडिएंट को अक्षीय दिशा में बनाए रखने में मदद करती है। ध्वनिक तरंगें जो सही फेज में इसके माध्यम से गुजरती हैं, थर्मोडायनामिक प्रक्रिया द्वारा बढ़ाई जा सकती हैं, जो स्टर्लिंग चक्र के समान होती है।
थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजन क्यों लाभदायक हैं?
फॉसिल ईंधन की कमी निकट भविष्य में मानवता के सामने एक चुनौती है। फॉसिल ईंधन ग्रह के स्वास्थ्य के लिए भी हानिकारक हैं और कई स्थिरता संबंधी चिंताएँ उत्पन्न करते हैं।
वैज्ञानिक समुदाय वैकल्पिक ईंधन स्रोतों के उपयोग पर विचार कर रहे हैं, जिसमें सौर ऊर्जा, भू‑तापीय ऊर्जा, बायोफ्यूल/बायोमास, रेडियोआइसोटोप आदि शामिल हैं।
इस परिदृश्य में, स्टर्लिंग इंजनों ने अपनी उच्च दक्षता, बंद थर्मोडायनामिक चक्र, शांत संचालन, कम कंपन, लंबी कार्यकाल और कम रखरखाव के कारण अच्छे परिणाम दिखाए हैं।
स्टर्लिंग इंजनों के दो प्रकार हो सकते हैं: पारम्परिक और उन्नत।
थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजनों का विकास: नवाचार और प्रगति
TASEs के इतिहास को जानना यह समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि वे कैसे अपना उद्देश्य पूरा करते हैं और तकनीक की प्रकृति क्या रही है।
हम पहले ही ध्वनिक तरंगों के बारे में बात कर चुके हैं जो दो पक्षों पर स्थित गर्म और ठंडे (या परिवेशीय) हीट एक्सचेंजर के बीच ग्रेडिएंट से गुजरती हैं।
1980 के दशक तक, इस क्षेत्र के अधिकांश डिज़ाइनों की दक्षता आमतौर पर 5% से अधिक नहीं थी। 1979 में एक महत्वपूर्ण मोड़ आया जब Ceperley ने एक उल्लेखनीय प्रगति हासिल की। उन्होंने दिखाया कि ट्रैवलिंग वेव्स ध्वनिक ऊर्जा को अधिक कुशलता से निकाल सकते हैं, जिससे आज उपयोग किए जाने वाले ट्रैवलिंग‑वेव TASHEs का डिज़ाइन सिद्धांत उत्पन्न हुआ।
इस अधिक कुशल योजना में जो होता है, वह यह है कि उत्पन्न ध्वनिक शक्ति का कुछ हिस्सा रेजेनेरेटर में वापस फीडबैक लूप के माध्यम से जाता है और कुछ हिस्सा ऊर्जा निष्कर्षण के लिए एक रेजोनेटर की ओर निर्देशित होता है।
पहले दशक में TASHEs की तकनीक में और सुधार हुआ। 2011 में, Tijani & Spolestra ने एक ट्रैवलिंग‑वेव TASHE डिज़ाइन किया जिसने कुल दक्षता के रूप में उल्लेखनीय 49% कार्नॉट सीमा के प्राप्त किया। संदर्भ के लिए, कार्नॉट सीमा वह अधिकतम सीमा निर्धारित करती है जिसके तहत गर्मी को उपयोगी कार्य में बदला जा सकता है।
हालिया विकास में, चीन ने हाल ही में एक उच्च‑दक्षता थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग जनरेटर विकसित किया है, जो 986°F (लगभग 530°C) के हीट स्रोत से 140 hp या 102 kW शक्ति प्रदान कर सकता है। यह विकास चीनी अकादमी ऑफ साइंसेज़ के टेक्निकल इंस्टीट्यूट ऑफ फिज़िक्स एंड केमिस्ट्री के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया था। यह पहली बार था जब ऐसा स्टर्लिंग जनरेटर 134 hp या 100 kW से अधिक शक्ति प्रदान कर सका।
यह चीनी नवाचार कई लोगों द्वारा संभावित गेम‑चेंजर माना जाता है क्योंकि इसकी बहुमुखी प्रतिभा। यह विभिन्न प्रकार के हीट स्रोतों के साथ काम कर सकता है और ऊर्जा उत्पादन के तरीके को बदल सकता है, विभिन्न ऊर्जा आवश्यकताओं के लिए समाधान प्रदान करता है।
इसे विकसित करने वाली टीम के अनुसार, इसकी विश्वसनीयता, सरल डिज़ाइन और विविध हीट स्रोतों के साथ संगतता इसे स्टीम टर्बाइन की दक्षता के साथ प्रतिस्पर्धा करने में सक्षम बनाती है। मोटर का डिज़ाइन सिस्टम से कंपन को हटाता है और एक एयर‑टाइट सील बनाए रखता है। यह नवाचार चीन को अल्ट्रा‑शांत, गैर‑न्यूक्लियर पनडुब्बियों के निर्माण में मदद कर सकता है।
एक अन्य 2017 अध्ययन ने LNG ठंडी ऊर्जा और कम‑तापमान अपशिष्ट गर्मी से थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग पावर जेनरेशन का प्रस्ताव रखा। इस अध्ययन ने 4 MPa हीलियम गैस के साथ संचालित एक थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग जनरेटर का डिज़ाइन किया, जो 110 K और 500 K पर ठंडे और गर्म सिरों को बनाए रखने पर 2.3 kW विद्युत शक्ति उत्पन्न कर सकता है, जिसमें सबसे अधिक एक्ज़र्जी दक्षता 0.253 है।
ऊर्जा दक्षता को बढ़ाने के समाधान के रूप में थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजन का विकास विश्व भर के शोधकर्ताओं और उच्च‑स्तरीय तकनीशियनों द्वारा निकटता से अध्ययन किया गया है। और बड़े‑पैमाने के उद्यम समाधान के क्षेत्र में भी काफी काम किया गया है।
थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजनों का उपयोग करने वाले संगठन
1. NASA
NASA ने थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग इंजनों के क्षेत्र में महत्वपूर्ण प्रगति की है। यह समाधान, जिसे Stirling Thermoacoustic Power Converter और Magnetostrictive Alternator कहा जाता है, अधिकतम दक्षता और विश्वसनीयता के लिए सभी चलने वाले भागों को समाप्त कर देता है।
NASA के ग्लेन रिसर्च सेंटर द्वारा विकसित नवीन तकनीक
यह तकनीक स्टर्लिंग इंजनों को अधिक कुशल और कम लागत वाला बनाती है। यह थर्मोएकॉस्टिक पावर कन्वर्टर का उपयोग करती है जहाँ ध्वनि को गर्मी को विद्युत शक्ति में बदलने के लिए प्रयोग किया जाता है। सिस्टम थर्मो‑एकॉस्टिक स्रोतों से उत्पन्न हीट‑ड्रिवन प्रेशर और वॉल्यूम ऑसिलेशन का उपयोग करके पायज़ोइलेक्ट्रिक अल्टरनेटर या अन्य पावर‑कन्वर्टर तकनीकों को शक्ति प्रदान करता है। यह उपकरण अभूतपूर्व दक्षता के साथ बिजली उत्पन्न करने में सक्षम है।
NASA के नवाचार का प्रभाव व्यापक रहा है। थर्मोएकॉस्टिक पावर कन्वर्टर ने पारम्परिक स्टर्लिंग इंजन को टोरॉयडल आकार से सीधी कोलाइनियर व्यवस्था में बदल दिया है। यह नवाचार सुनिश्चित करता है कि आगे के सिस्टम को विफलता‑प्रवण मैकेनिकल इनर्टेंस और कंप्लायंस ट्यूबों पर निर्भर नहीं रहना पड़े। लक्ष्य को ध्वनिक प्रतिध्वनि का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनिक घटकों के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।
यह नवाचार कुशल, विश्वसनीय, कम‑लागत, कॉम्पैक्ट और बहुमुखी बन गया है। इसे वितरित उत्पादन और आवासीय पावर सिस्टम, संयोजन हीट और पावर सिस्टम, केंद्रित सौर ऊर्जा उत्पादन, हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहन, रेफ्रिजरेशन सिस्टम, हीट पंप, जल‑अधीन और समुद्री पावर सिस्टम, तथा सहायक पावर यूनिट में उपयोग किया जा सकता है।
2. SpaceX
संभावना है कि SpaceX, जो एक और अंतरिक्ष और विमानन प्रौद्योगिकी दिग्गज है, जल्द ही TASEs का अन्वेषण कर सकता है। यह उन्हें गर्मी को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करने की दक्षता को बढ़ाने में मदद कर सकता है।
कम निर्माण और रखरखाव लागत से हल्के अंतरिक्ष यान कम लागत पर निर्मित हो सकते हैं। यह SpaceX को गहरी अंतरिक्ष मिशनों में प्रभावी रूप से गर्मी प्रबंधन और उन्नत पावर जेनरेशन क्षमता प्रदान करेगा।
के अनुसार रिपोर्ट, जो मध्य‑अगस्त 2023 में प्रकाशित हुई, SpaceX की बढ़ती आय ने इसे दो वार्षिक घाटे के बाद Q1 2023 में लाभदायक बना दिया। एलोन मस्क‑स्वामित्व वाली कंपनी ने जनवरी‑मार्च अवधि में $1.5 बिलियन राजस्व पर $55 मिलियन का लाभ कमाया। हाल ही में एक कर्मचारी स्टॉक बिक्री में इसका मूल्य लगभग US$150 बिलियन था।
3. Sierra Lobo, Inc.
Fremont, Ohio में स्थित Sierra Lobo, Inc., विश्व भर में विशेषीकृत अंतरिक्ष और एयरोस्पेस परीक्षण, मूल्यांकन और इंजीनियरिंग सेवाएँ प्रदान करती है। इसने पूर्ण‑विकसित थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग हीट इंजन विकसित किए हैं जो विभिन्न पावर/हीट स्रोतों के साथ काम कर सकते हैं, उच्च दक्षता और विश्वसनीयता के साथ, बिना चलने वाले भागों के। यह कॉम्पैक्ट और स्केलेबल है और गुरुत्वाकर्षण‑स्वतंत्र संचालन के कारण अंतरिक्ष अनुप्रयोगों में उपयोग किया जा सकता है।
इन हीट इंजनों को कई क्षेत्रों में उपयोग होने की उम्मीद है, जिसमें ध्वनिक शक्ति और दबाव तरंग उत्पन्न करना और ग्राउंड, अंडरवॉटर और अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए विद्युत उत्पादन शामिल है। यह एक साथ विद्युत और शीतलन शक्ति उत्पन्न कर सकता है, रैखिक अल्टरनेटर को विद्युत शक्ति उत्पादन के लिए चलाने और रेफ्रिजरेटर और क्रायोकोलर के लिए शीतलन उत्पन्न करने में सक्षम है।
आगे के रास्ते में चुनौतियां और अवसर
थर्मोएकॉस्टिक स्टर्लिंग हीट इंजिन (TASEs), स्टर्लिंग इंजनों की एक विशिष्ट श्रेणी, गहरी अंतरिक्ष यात्रा के लिए उपयुक्त पावर स्रोत विकसित करने में बड़ी संभावनाएँ दिखा चुके हैं। NASA, विशेष रूप से अपने ग्लेन रिसर्च सेंटर के माध्यम से, इस तकनीक की दक्षता और कम‑रखरखाव गुणों को उपयोग करने में अग्रणी रहा है। यह तकनीक आगे भी विकसित होने की उम्मीद है, जिससे कई अंतरिक्ष अन्वेषण परियोजनाओं में महत्वपूर्ण पावर सिस्टम प्रदान किए जा सकते हैं, संभवतः चंद्रमा और मंगल पर बेसों को पावर देने में भी योगदान दे सकते हैं।
इन इंजनों को उनकी अत्यधिक थर्मल‑से‑इलेक्ट्रिक दक्षता के कारण अन्य हीट इंजनों की तुलना में अधिक पसंद किया जाता है। TASEs में बियरिंग सिस्टम और चलने वाले भागों की अनुपस्थिति विफलता जोखिम और निर्माण लागत को काफी कम करती है।
हालांकि, सबसे पसंदीदा विकल्प बनने के लिए अभी भी इस तकनीक को परिष्कृत करने में पर्याप्त कार्य करना बाकी है। TASEs वर्तमान में आयतन और वजन के साथ चुनौतियों का सामना कर रहे हैं, मुख्यतः उनके डिज़ाइन में दोनों गर्म और ठंडे बिंदुओं पर हीट एक्सचेंजर होने के कारण पारम्परिक आंतरिक दहन इंजनों की तुलना में अधिक भारी और बड़े आकार के होते हैं।
इसके अलावा, TASEs अक्सर अंतर्निहित थर्मल जड़ता के कारण धीमी स्टार्टअप का सामना करते हैं। उनका उपयोग तेज़ स्टार्ट या गति परिवर्तन की आवश्यकता वाले परिदृश्यों में सीमित है। फिर भी, चल रहे तकनीकी नवाचार इन चुनौतियों को पार करने का लक्ष्य रखते हैं, जिससे TASEs उच्च‑तकनीकी अंतरिक्ष संचालन और उससे आगे के लिए एक महत्वपूर्ण घटक बनते हैं।
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