प्लग फ्लो कैसे बारिश के पानी को नवीकरणीय बिजली में बदलता है

A team of researchers from the National University of Singapore unveiled a novel water generation system that can convert raindrops into electricity. The system utilizes a phenomenon called plug flow to improve on current options by an order of magnitude. Here’s how plug flow systems could open the door for a greener and more sustainable future.

Harnessing Water Power: From Ancient Mills to Plug Flow

मानवता ने हमेशा जल को शक्ति उत्पन्न करने के साधन के रूप में देखा है। प्राचीन काल में, रोमन और मिस्रियों जैसी संस्कृतियों ने अनाज पीसने जैसे कार्यों को चलाने के लिए जल का उपयोग किया। समय के साथ, ये प्रणालियाँ अधिक जटिल हो गईं।
आज, जलविद्युत विश्व स्तर पर मुख्य ऊर्जा स्रोत है। यह गुरुत्वाकर्षण और बहते पानी की शक्ति पर निर्भर करता है जो टरबाइन को चलाता है, जिससे शक्ति उत्पन्न होती है। ये प्रणालियाँ बड़ी मात्रा में ऊर्जा लंबे समय तक उत्पन्न कर सकती हैं, जिससे वे बड़े पैमाने के अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं।

Why Traditional Hydroelectric Power Isn’t Always Practical

जलविद्युत दुनिया के लाखों लोगों के लिए एक वरदान रहा है। विशाल बांध प्रमुख जनसंख्या केंद्रों को ऊर्जा प्रदान कर सकते हैं, जबकि जीवाश्म ईंधन विकल्पों की तुलना में कम पर्यावरणीय अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं। हालांकि, वे अभी भी अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं और कई सीमाओं के कारण उनका विस्तार बाधित रहा है।
पहले, इन्हें बड़े जल निकायों के पास स्थित होना चाहिए। इन प्रणालियों को ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए बांध, बहता पानी, या यहाँ तक कि समुद्री लहरों की आवश्यकता होती है। इसलिए, ये केवल बड़े‑पैमाने के अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक हैं, और इन विशाल सुविधाओं का निर्माण महंगा और संसाधन‑गहन होता है।

The Struggle to Scale Down Hydropower for Small Systems

वैज्ञानिकों ने इन बड़े संयंत्रों के वैकल्पिक रचनात्मक उपाय सोचे हैं ताकि छोटे पैमाने पर बिजली उत्पन्न की जा सके। चार्ज विभाजन प्रक्रिया ऐसी ही एक विज्ञान है जिसने काफी रुचि प्राप्त की है।
चार्ज विभाजन तब होता है जब पानी एक विद्युत‑चार्ज्ड सतह पर चलता है। आप इस प्रक्रिया को इस तरह समझ सकते हैं जैसे स्थैतिक बिजली आपके पैर को कालीन पर रगड़ने से उत्पन्न होती है। दो सतहों के घर्षण से विद्युत चार्ज बनते हैं।

Understanding Charge Separation for Energy Generation

चार्ज विभाजन जेनरेटर बनाने के कई प्रयास हुए हैं जो पर्याप्त ऊर्जा उत्पन्न कर सकें। हालांकि, कोई भी इस लक्ष्य को हासिल नहीं कर पाया। अतीत में, इंजीनियरों ने इस विधि की उत्पादन क्षमता को बढ़ाने के लिए विभिन्न दृष्टिकोणों का अध्ययन किया है।
विशेष रूप से, वैज्ञानिकों ने विभिन्न दृष्टिकोणों की जांच की है, जिसमें चैनल में प्रवाह बदलना, छींटे बनाना, कोणीय बूंदें, और विभिन्न ड्रॉप्लेट प्रवाह शामिल हैं। इन विधियों में, अब तक सबसे प्रभावी निरंतर प्रवाह विधि रही है। यह विधि एक छोटे चैनल का उपयोग करती है जहाँ पानी लगातार बहता रहता है।

Why Previous Charge Separation Systems Fell Short

इस दृष्टिकोण की समस्या यह है कि चार्ज विभाजन द्वारा उत्पन्न बिजली पानी द्वारा कवर किए गए सतह क्षेत्र से सीमित होती है। इन प्रतिबंधों ने इंजीनियरों को अधिक चैनल प्रदान करने के लिए नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग करने के लिए प्रेरित किया, जिससे अधिक सतह क्षेत्र मिल सके।
यह दृष्टिकोण व्यर्थ सिद्ध हुआ क्योंकि जल बूंदें स्वाभाविक रूप से नैनो‑स्केल चैनलों से नहीं गुजरतीं। इसके अलावा, प्रक्रिया में पंप जोड़ने से ऊर्जा की आवश्यकता बढ़ती है बिना अतिरिक्त लाभ के। इस समीकरण में मुख्य प्रतिबंधों में से एक अवधारणा है जिसे डेबाय लंबाई कहा जाता है।

What Is the Debye Length and Why Does It Matter?

डेबाय लंबाई उस परत के मुक्त आयनों की चार्ज्ड सतह से दूरी को दर्शाती है। एक ऐसी दूरी है जहाँ पानी और सतह एक विद्युत द्वि‑परत बनाते हैं जो विपरीत चार्ज वाले मुक्त आयनों को आकर्षित कर सकती है। विशेष रूप से, प्रत्येक तरल की एक डेबाय लंबाई होती है।
उदाहरण के लिए, शुद्ध पानी का pH 7 पर डेबाय लंबाई लगभग 1 μm है। यदि आप पानी में CO2 की मात्रा बढ़ाते हैं और वायुमंडलीय दबाव बदलते हैं, तो डेबाय लंबाई नैनो‑स्केल तक घट जाती है।

Breakthrough Study: Generating Power Using Plug Flow

विशेष रूप से, इंजीनियरों की एक टीम ने दिखाया है कि विशिष्ट प्रवाह पैटर्न—विशेषकर प्लग फ्लो—का उपयोग करके मिलिमीटर‑स्केल चैनलों में डेबाय लंबाई बाधा को पार किया जा सकता है। यह突破 नैनो‑स्केल प्रतिबंध की आवश्यकता को समाप्त करता है, जो प्राकृतिक जल स्रोतों के लिए व्यावहारिक नहीं है। परीक्षण किए गए पाँच प्रवाह पैटर्न में पूर्ण प्रवाह, प्लग‑ड्रिपिंग प्रवाह, ड्रिपिंग प्रवाह, धारा, और प्लग फ्लो शामिल हैं।

The “प्लग फ्लो: डेबाय लंबाई की सीमा को तोड़कर प्रकृति से जल द्वारा नवीकरणीय बिजली उत्पन्न करना” अध्ययन¹ इस महीने ACS Central Science में प्रकाशित हुआ। यह पेपर बिजली उत्पादन के लिए चार्ज विभाजन के एक नए दृष्टिकोण को उजागर करता है। यह एक नई विधि प्रस्तुत करता है जो बड़े चैनलों का उपयोग करती है जिससे बारिश का पानी स्वाभाविक रूप से बहकर बिजली उत्पन्न कर सकता है।

स्रोत – ACS Cent. Sci. 2025

How Plug Flow Creates Electricity Using Water and Air

प्लग फ्लो ट्यूब में बूंदों के भीतर एक प्रकार की दूरी को दर्शाता है जो प्रत्येक बूंद के अनूठे आकार को ध्यान में रखता है। बूंदें स्वाभाविक रूप से बनती हैं जब पानी एक क्षैतिज रूप से स्थित धातु सुई से निकलता है और एक लंबवत स्थित पॉलीमर ट्यूब की दीवार से टकराता है। यह अभिविन्यास प्लग फ्लो के निर्माण को सक्षम करता है बिना किसी इंजीनियरित या कस्टम‑आकार की बूंदों की आवश्यकता के।

बड़े चैनलों में दक्षता खोने वाली स्ट्रीमिंग करंट प्रणालियों के विपरीत, प्लग फ्लो मिलिमीटर‑स्केल ट्यूबों में उच्च आउटपुट बनाए रखता है, जिससे दशकों से प्रगति को रोकने वाली मूलभूत सीमा को पार किया गया है।

यह रणनीति चार्ज विभाजन की बड़ी रासायनिक संभावनाओं के साथ एक शक्तिशाली इंटरफ़ेस रसायन विज्ञान को प्रारंभ करती है। इंजीनियरों ने पाया कि यह रणनीति जल में H+ और OH– आयनों को इस प्रकार अलग करती है कि पहले के प्रयासों को सीमित करने वाली विद्युत द्वि‑परत नहीं बनती।

पेपर वर्णन करता है कि इंजीनियरों ने कैसे निर्धारित किया कि मिलिमीटर‑आकार के चैनलों की आवश्यकता है ताकि प्राकृतिक स्रोतों से जल प्रभावी रूप से गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करके निर्धारित चैनलों से गुजर सके।

पहले की प्रणालियों के विपरीत जो पूर्व‑स्थापित सतह चार्ज से इलेक्ट्रोस्टैटिक इंडक्शन पर निर्भर थीं, प्लग फ्लो प्रणाली ठोस‑तरल इंटरफ़ेस पर सीधे चार्ज विभाजन के माध्यम से बिजली उत्पन्न करती है। यह विशेष रूप से जल बूंदों के पीछे के किनारे पर होता है, जहाँ हाइड्रोजन (H⁺) और हाइड्रॉक्साइड (OH⁻) आयन स्वाभाविक रूप से अलग होते हैं, जिससे पूर्व‑चार्ज्ड सतह की आवश्यकता के बिना शक्ति उत्पन्न होती है। इस क्षमता ने प्रणाली को ट्यूबों से गिरते जल की ऊर्जा का 10% बिजली में बदलने की अनुमति दी।

Plug Flow Device: Simple, Scalable, and Sustainable

प्लग फ्लो प्रणाली में जल रखने के लिए एक प्लास्टिक कंटेनर, कंटेनर से जुड़ी एक विशेष निर्मित सुई टिप, एक ट्यूब, और उपकरण के नीचे एक कप शामिल था। इस व्यवस्था ने डी‑आयनाइज़्ड जल और एक इष्टतम प्रवाह पैटर्न का उपयोग करके निरंतर प्लग फ्लो प्राप्त किया।

Creating Plug Flow with a Custom Metallic Needle

जल भंडारण पर फिट होने वाली धातु सुई टिप को बारिश‑आकार की बूंदें उत्पन्न करने के लिए बनाया गया था। इन बूंदों को तेज़ी से निकाला गया। इस प्रकार, वे वास्तविक बारिश की बूंदों की तुलना में बहुत धीमी गति से गिरती हैं, जिससे इंजीनियरों ने निर्धारित किया कि बारिश आसानी से गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से प्रणाली में प्रवेश और निकास कर सकती है।

Using a 2mm Polymer Tube for Optimal Plug Flow

इंजीनियरों ने धातु सुई को इस प्रकार सेट किया कि डी‑आयनाइज़्ड जल को 12‑इंच x 2 mm लंबवत पॉलीमर ट्यूब के उद्घाटन में गिराया जाए। यह ट्यूब ठीक‑ठीक इस आकार की थी ताकि सतत प्लग फ्लो संभव हो सके। ट्यूब के नीचे, एक इलेक्ट्रिकल नोड वाला कप स्थापित किया गया। यह कप गिरा हुआ जल एकत्र करता है। जबकि, बिजली को उन तारों के माध्यम से निकाला गया जो संग्रह कप और ट्यूब के शीर्ष दोनों से जुड़े थे।

Testing the Plug Flow Generator: Proof of Concept

इंजीनियरों ने अपनी प्रणाली की क्षमताओं को सटीक रूप से मापने के लिए कई परीक्षण किए। उन्होंने एक छोटे जेनरेटर को बनाकर उसकी क्षमताओं का परीक्षण किया। पहला परीक्षण 12 LED लाइट्स स्थापित करने में शामिल था। जेनरेटर को जोड़ा गया और उसने सफलतापूर्वक इन लाइट्स को 20 सेकंड तक चलाया।
एक इलेक्ट्रोमीटर को फ़ैरडे कप के तारों से जोड़ा गया। इस सेटअप ने टीम को ट्यूब से जल गुजरने के बाद कप में विद्युत को सटीक रूप से मापने की अनुमति दी। टीम ने निर्धारित किया कि अतिरिक्त विद्युत चार्ज ठोस‑तरल इंटरफ़ेस पर उच्च‑प्रदर्शन चार्ज विभाजन के कारण था।

Scaling the Plug Flow System for Real-World Use

टीम ने फिर यह देखना चाहा कि उनके जेनरेटर श्रृंखला में कैसे काम करेंगे। उन्होंने दो प्लग फ्लो सिस्टम ट्यूबें स्थापित कीं और समय के साथ उनकी प्रतिक्रिया का निरीक्षण किया। एक प्रयोग में, टीम ने जेनरेटर को दिन में 5 बार, प्रत्येक 1 मिनट के लिए, एक सप्ताह तक चलाया। उनके परीक्षण ने कुछ प्रभावशाली परिणाम उत्पन्न किए।

Plug Flow Test Results: Efficiency and Power Output

प्लग फ्लो प्रणाली के परीक्षण परिणाम आश्चर्यजनक थे। एक बात यह थी कि प्रणाली ने सभी पूर्व विधियों की तुलना में 5 गुणा अधिक ऊर्जा उत्पादन प्रदान किया। यह सर्वसम्मति से सिद्ध हुआ कि यह स्ट्रीम विधियों से अधिक प्रभावी और अत्यधिक कुशल है।
विशेष रूप से, प्लग फ्लो प्रणाली ने जल बूंदों की ऊर्जा का >10% बिजली में बदल दिया। अतिरिक्त रूप से, टीम ने लगभग 100 W/m² की शक्ति घनत्व दर्ज की। शोधकर्ताओं ने पाया कि गतिज ऊर्जा का प्रभाव नगण्य था, क्योंकि 98% से अधिक शक्ति उत्पादन गिरते जल की गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा से प्राप्त हुआ। यह प्लग फ्लो प्रणाली की प्राकृतिक जल प्रवाह को बाहरी ऊर्जा इनपुट के बिना उपयोग करने की क्षमता को उजागर करता है। इस प्रकार, उपकरण ने प्रदर्शन का एक नया स्तर दिखाया।

How Plug Flow Delivers Uninterrupted Power Supply

टीम ने सुनिश्चित किया कि प्लग सिस्टम जेनरेटर दोहराए गए और दीर्घकालिक उपयोग के बाद भी निरंतर शक्ति प्रदान कर सके। यह पंप और व्यवधानों के बिना काम कर सकता है, निरंतर ऊर्जा उत्पन्न करता है, भले ही जल प्रवाह सतत न हो। अध्ययन ने दिखाया कि यह प्रणाली के भीतर संचित चार्ज के कारण संभव था। यह चार्ज स्वाभाविक रूप से तब बाहर बहता है जब हवा जल के बजाय बह रही होती है।

Plug Flow Energy: Compact, Clean, and Cost-Effective

प्लग फ्लो प्रणाली कई लाभ उजागर करता है। एक बात यह है कि यह दुनिया को भविष्य की शक्ति उत्पादन प्रणालियों की झलक देता है। यह दृष्टिकोण स्थिरता प्रदान करता है और संकरे स्थानों में आसानी से स्थापित किया जा सकता है। इसलिए, यह शहरी शक्ति उत्पादन के लिए आदर्श है।

No Pumps, No Problem: A DIY-Friendly Energy Solution

यह सेटअप हरे ऊर्जा क्षेत्र में प्रवेश करने के सबसे आसान और किफायती विकल्पों में से एक है। प्लग फ्लो दृष्टिकोण की तुलना में पारंपरिक जलविद्युत विकल्पों से जुड़े खर्च बहुत कम हैं। अतिरिक्त रूप से, यह विकल्प इतना सरल है कि कोई भी इसे स्थापित और संचालित कर सकता है।

Low-Cost Energy Generation for Global Deployment

इस दृष्टिकोण की किफायती होना एक और लाभ है जिसे कम नहीं आँका जा सकता। छोटे‑पैमाने के जलविद्युत ऊर्जा निर्माण के लिए कोई विकल्प नहीं है। यह विकल्प महंगे पंप, जेनरेटर, या यहां तक कि पावर सप्लाई की भी आवश्यकता नहीं रखता। इसलिए, इसे विश्व के किसी भी स्थान पर न्यूनतम लागत के साथ किफायती रूप से तैनात किया जा सकता है।

Real-World Plug Flow Applications and What Comes Next

इस तकनीक के अनंत अनुप्रयोग हैं। दुनिया को हरे ऊर्जा समाधान की अत्यंत आवश्यकता है। जैसे ही विश्व भर की सरकारें इस सदी में शून्य‑कार्बन लक्ष्य हासिल करने की कोशिश करती हैं, हरे ऊर्जा विकल्पों की मांग बढ़ रही है।
यह समाधान कंपनियों और सामान्य लोगों दोनों को जीवाश्म ईंधन और अन्य पर्यावरणीय रूप से हानिकारक ऊर्जा विकल्पों पर निर्भरता कम करने में मदद करेगा। इस तकनीक के कुछ अनुप्रयोग इस प्रकार हैं।

Generating Electricity from Rain and Gravity Alone

प्लग फ्लो प्रणाली आपके घर या यहां तक कि वाहनों का एक मूल्यवान हिस्सा बन सकती है। ये प्रणालियां बारिश या गुरुत्वाकर्षण‑आधारित स्वच्छ जल जैसे स्वाभाविक रूप से गिरते जल स्रोतों से बिजली उत्पन्न करने में सक्षम हैं। जबकि प्लग फ्लो प्रणाली डी‑आयनाइज़्ड जल के साथ सबसे अच्छा प्रदर्शन करती है, इसने टॅप जल और कम‑नमक समाधान के साथ भी मजबूत प्रदर्शन दिखाया है, जिससे इसके संभावित अनुप्रयोग विस्तृत होते हैं। यह दृष्टिकोण उन स्थानों में बिजली को सामान्य बना देगा जहाँ बुनियादी ढांचा कभी नहीं था। अतिरिक्त रूप से, यह वर्तमान प्रणाली पर मांग को कम करने में मदद करेगा, जिसे मरम्मत और रखरखाव की तात्कालिक आवश्यकता है।

When Will Plug Flow Systems Hit the Market?

जल प्रवाह से बिजली उत्पन्न करने की क्षमता, अतिरिक्त मोटर, पंप या पावर सप्लाई की आवश्यकता के बिना, आज के विकल्पों पर एक बड़ा लाभ है। आप उम्मीद कर सकते हैं कि ये प्रणालियां अगले 5‑10 वर्षों में वैश्विक अर्थव्यवस्था में प्रवेश करेंगी क्योंकि इंजीनियर अपनी शक्ति उत्पादन और लेआउट को अनुकूलित करेंगे।

Meet the Researchers Behind the Plug Flow Breakthrough

यह अध्ययन सिंगापुर राष्ट्रीय विश्वविद्यालय के इंजीनियरों की एक टीम द्वारा नेतृत्व किया गया। विशेष रूप से, Siow Ling Soh और Chi Kit Ao को मुख्य लेखकों के रूप में सूचीबद्ध किया गया है। उन्होंने छात्रों और शोधकर्ताओं की एक टीम के साथ काम किया।
इसके अतिरिक्त, सिंगापुर के शिक्षा मंत्रालय, विज्ञान, प्रौद्योगिकी और अनुसंधान एजेंसी, और सिंगापुर राष्ट्रीय विश्वविद्यालय के स्वास्थ्य नवाचार एवं प्रौद्योगिकी संस्थान से समर्थन प्राप्त किया गया।

The Future of Plug Flow: What’s Next for This Tech?

अब, इंजीनियर अपनी अध्ययन को अगले स्तर पर ले जाना चाहते हैं, विद्युत उत्पादन और प्रदर्शन को सुधारते हुए। अगले चरणों में अतिरिक्त सामग्री, निर्माण प्रक्रियाओं, और तरल पदार्थों का अनुसंधान शामिल होगा। आशा है कि प्रणाली को यथासंभव कुशल और किफायती बनाया जाए।

Investing in the Renewables Market

पिछले दशक में हरे ऊर्जा क्षेत्र अधिक प्रतिस्पर्धी हो गया है। अधिक कंपनियां वैश्विक स्थिरता आंदोलन के साथ संरेखित ऊर्जा निर्माण विधियों को पहले बनाने के मूल्य को देखती हैं। यहाँ एक उदाहरण है जिसने हरे ऊर्जा की दिशा में अग्रसर किया है और इस अध्ययन की तकनीक का उपयोग करने के लिए तैयार है।

Clearway Energy: A Renewable Powerhouse to Watch

Clearway Energy (CWEN ) समूह ने कई अधिग्रहणों के बाद बाजार में प्रवेश किया। मुख्य रूप से, NRG Energy का अधिग्रहण। NRG Energy ने 1989 में एक ऊर्जा प्रदाता के रूप में सेवा शुरू की।

कई अन्य कंपनियों के साथ अधिग्रहित होने के बाद, इसने Clearway Energy को यूएस में सबसे बड़े ऊर्जा उत्पादकों में से एक बना दिया। आज, यह वही भूमिका बनाए रखता है, वैश्विक समुदाय को थोक उत्पादन सेवाएं प्रदान करता है।

2018 में, Clearway Energy ने अपने नए टिकर CWEN के तहत ट्रेडिंग शुरू की। इससे व्यवसाय में वृद्धि हुई। आज, कंपनी की विद्युत उत्पादन क्षमता लगभग 11.8 GW है और यह 26 राज्यों में संचालित होती है।