हाइड्रोवोल्टिक्स – वाष्पीकरण से बिजली प्राप्त करना

नई शोध दर्शाती है कि नैनोस्केल उपकरणों का उपयोग तरल वाष्पीकरण से बिजली प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, जिससे एक बड़ी ऊर्जा क्षमता उजागर होती है जिसे अभी तक सही ढंग से उपयोग नहीं किया गया है।

वाष्पीकरण एक प्राकृतिक प्रक्रिया है। सरल शब्दों में, यह एक प्रकार का वाष्पीकरण है जो तरल की सतह पर तब होता है जब वह गैस में बदल जाता है। यह हमारे चारों ओर मौजूद है, लेकिन हम अक्सर इसका ध्यान नहीं देते। 

रोचक बात यह है कि पृथ्वी तक पहुँचने वाले सौर ऊर्जा का लगभग आधा हिस्सा वाष्पीकरण प्रक्रियाओं को चलाता है। वाष्पीकरण, जो वैश्विक जल चक्र में निरंतर ऊर्जा विनिमय को सक्षम बनाता है, एक नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत है जिसे अभी तक पूरी तरह से उपयोग नहीं किया गया है, जैसा कि अध्ययन में बताया गया है।

जल, जो हमारे ग्रह की सतह के 70% से अधिक को कवर करता है, रासायनिक, थर्मल और गतिज ऊर्जा के रूप में बड़ी मात्रा में ऊर्जा रखता है, लेकिन इसका बहुत कम हिस्सा ही उपयोग किया जाता है। झीलों और जलाशयों से प्राकृतिक वाष्पीकरण की कुल शक्ति उत्पादन क्षमता के संदर्भ में, केवल संयुक्त राज्य में अनुमानित शक्ति उत्पादन क्षमता 325 GW है। यह 2015 में संयुक्त राज्य की विद्युत ऊर्जा उत्पादन दर के 69% से अधिक का प्रतिनिधित्व करता है, जैसा कि अध्ययन में उल्लेख किया गया है।

इसलिए, कई वर्षों से शोधकर्ता वाष्पीकरण की ऊर्जा क्षमता को उपयोग करने पर काम कर रहे हैं। इसे कई उपकरणों के माध्यम से खोजा जा रहा है, जैसे स्व-शक्तिकरण जनरेटर, हाइब्रिड सिस्टम, और टैंडेम डिवाइस। वर्षों के शोध ने नैनोमैटेरियल्स और नैनोटेक्नोलॉजी में प्रगति के साथ विशेष रूप से वाष्पीकरण-चालित हाइड्रोवोल्टिक उपकरणों पर बहुत ध्यान आकर्षित किया है।

इसके लिए, चलिए HV प्रभाव में प्रवेश करते हैं, जो नैनोस्ट्रक्चर वाले पदार्थों को जल के साथ संपर्क में आने पर बिजली उत्पन्न करने की अनुमति देता है। यहाँ जल में बूंदें, नमी, तरल और वाष्पीकरण सब कुछ शामिल हो सकता है। इसलिए, HV प्रभाव में, वाष्पीकरण इन उपकरणों के भीतर नैनोचैनलों में निरंतर प्रवाह उत्पन्न करता है। यह प्रभाव पौधों की माइक्रोकैपिलरी में भी देखा जाता है, जहाँ जल परिवहन कैपिलरी दबाव और प्राकृतिक वाष्पीकरण के संयोजन के कारण होता है।

चार मुख्य तंत्र इस HV प्रभाव के लिए जिम्मेदार माने जाते हैं: स्ट्रीमिंग, स्यूडो-स्ट्रीमिंग, आयन ग्रेडिएंट डिफ्यूजन, और इलेक्ट्रॉन ड्रैग प्रभाव। हाइड्रोवोल्टिक प्रभाव संभावित रूप से जल ऊर्जा को संग्रहित करने की तकनीकी क्षमता को विस्तारित करता है और स्व-शक्तिकरण उपकरणों के निर्माण को सक्षम बनाता है। 

अब, स्विस-आधारित सार्वजनिक अनुसंधान विश्वविद्यालय EPFL (स्विस फेडरल इंस्टिट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी लौज़ान) के शोधकर्ताओं को स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (SNSF) द्वारा कोरियन-स्विस विज्ञान और प्रौद्योगिकी सहयोग फंड और स्विस सरकार की उत्कृष्टता फेलोशिप के माध्यम से वित्तीय समर्थन मिला है। EPFL की प्रयोगात्मक सुविधाएँ, इंटरडिसिप्लिनरी सेंटर फॉर इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (CIME) और सेंटर फॉर माइक्रो-नैनोटेक्नोलॉजी (CMi), भी उन तरल वाष्पीकरण से शक्ति संग्रहण में शामिल हैं जिनमें शुद्ध जल की तुलना में आयनों की अधिक सांद्रता होती है।

हाइड्रोवोल्टिक उपकरण पहले से मौजूद हैं, लेकिन नैनोस्केल पर HV उत्पादन को नियंत्रित करने वाले भौतिक घटनाओं के बारे में अधिक जानकारी नहीं है। स्थितियों की कार्यात्मक समझ की कमी भी है, जिसे यह अध्ययन सुधारने का लक्ष्य रखता है। 

इस महीने की शुरुआत में Cell Press जर्नल Device में प्रकाशित अध्ययन, जो लैबोरेटरी ऑफ नैनोसाइंस फॉर एनर्जी टेक्नोलॉजी (LNET) द्वारा किया गया है, “Salinity-dependent interfacial phenomena toward hydrovoltaic device optimization” शीर्षक से, Giulia Tagliabue और Tarique Anwar द्वारा किया गया है।

अध्ययन ने बहु-भौतिक मॉडलिंग का प्रयोग किया ताकि तरल प्रवाह, आयन प्रवाह, और ठोस-तरल अंतःक्रिया के कारण इलेक्ट्रोस्टेटिक प्रभावों को निर्दिष्ट किया जा सके, जिसका उद्देश्य HV उपकरणों को अनुकूलित करना था।

LNET के स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के प्रमुख Tagliabue के अनुसार, यह पहला अध्ययन है जो उनके नए और अत्यधिक नियंत्रित प्लेटफ़ॉर्म के कारण हाइड्रोवोल्टिक घटनाओं को मात्रात्मक बनाता है। इन हाइड्रोवोल्टिक घटनाओं को विभिन्न अंतरसतही अंतःक्रियाओं के महत्व को दर्शाकर मापा गया है। 

इस प्रक्रिया के दौरान, टीम ने हाइड्रोवोल्टिक उपकरणों की विस्तृत लवणता रेंज में काम करने की बड़ी खोज की। यह, Tagliabue ने कहा, इस पहले की मान्यता को खारिज करता है कि उच्च शुद्धता वाला जल इष्टतम प्रदर्शन के लिए आवश्यक है।

The Multiphysics Model

हाल ही में, नैनोस्केल पर माइक्रोस्ट्रक्चर वाले पदार्थों में वाष्पीकरण-चालित तरल प्रवाह के अध्ययन ने एक नया तरीका प्रस्तुत किया है जिससे नवीकरणीय या हरी ऊर्जा उत्पन्न की जा सकती है, अर्थात् थर्मल ऊर्जा को इलेक्ट्रिक ऊर्जा में इलेक्ट्रोकाइनेटिक पथ के माध्यम से परिवर्तित किया जाता है। यहाँ प्रदर्शन में सुधार मुख्यतः इलेक्ट्रोड संपर्कों के अनुकूलन द्वारा संचालित है। 

हालाँकि, मॉडलिंग टूल की कमी और प्रणाली की ज्यामितीय एवं रासायनिक विशेषताओं के संबंध में प्रश्न इस उभरती तकनीक, हाइड्रोवोल्टिक (HV) उपकरणों, की प्रदर्शन और अनुप्रयोग सीमा दोनों को सीमित करते हैं, जो सतत ऊर्जा उत्पादन के लिए है।

इसलिए, शोधकर्ताओं ने एक मात्रात्मक बहु-भौतिक मॉडल विकसित किया और सिलिकॉन नैनोपिलर (Si NPs) की क्रमबद्ध सरणी का उपयोग किया, जिससे सतह पर पहले अनछुए पहलू सामने आए। उल्लेखनीय रूप से, अध्ययन ने पाया कि सतह चार्ज, जो आयन सांद्रता और आयनों की गतिशीलता पर निर्भर करता है, कई स्थानीय अधिकतम खुले-परिपथ वोल्टेज (VOC) को निर्देशित करता है, जहाँ आदर्श स्थितियाँ कम सांद्रता की पारंपरिक अपेक्षाओं से भिन्न होती हैं।

इसके अलावा, संरचनात्मक असममितताएँ एक इलेक्ट्रोस्टैटिक संभावित उत्पन्न कर सकती हैं जो HV प्रदर्शन को बढ़ाती है। इसके अतिरिक्त, अध्ययन ने कई मोनोवैलेंट कैशन के लिए आयन अवशोषण और चार्ज उलटाव की पुष्टि की, जिससे ऐसे उपकरण उच्च सांद्रता पर भी कार्य कर सकते हैं। 

शोध टीम द्वारा विकसित HV उपकरण सेंटीमीटर-स्केल के नियमित Si NPs की सरणी से बना है, जो p-टाइप Si वेफ़र पर नक्काशी किया गया है। टीम ने कोलॉइडल लिथोग्राफी और मेटल-एसिस्टेड केमिकल एचिंग (MACE) के संयोजन का उपयोग करके NPs की षट्भुज सरणी की पिच को स्थिर किया, जबकि उनकी लंबाई और व्यास को क्रमशः 1.23–4.4 μm और 420–560 nm की सीमा में बदलते रहे। Si NP आयाम बदलकर, उन्होंने आवश्यकतानुसार नैनोचैनल ज्यामिति और ठोस-तरल सतह क्षेत्र को सीधे नियंत्रित किया।

इस अध्ययन में हाइड्रोवोल्टिक उपकरण नैनोस्फीयर कोलॉइडल लिथोग्राफी तकनीक के पहले अनुप्रयोग का प्रतिनिधित्व करता है, जिससे शोधकर्ता सटीक रूप से अंतराल वाले Si NPs की षट्भुज नेटवर्क बना सके। इन सिलिकॉन नैनोपिलरों के बीच के अंतराल तरल को वाष्पित करने के लिए उत्तम मार्ग बनाते हैं। इसे आगे भी सूक्ष्म रूप से समायोजित किया जा सकता है ताकि तरल प्रतिबंध और ठोस/तरल संपर्क क्षेत्र के प्रभावों को बेहतर समझा जा सके।

Anwar, जो LNET में पीएचडी छात्र हैं, ने बताया कि अधिकांश लवणीय समाधान वाले तरल प्रणाली में सकारात्मक और नकारात्मक आयनों की संख्या समान होती है। लेकिन तरल को नैनोचैनल में सीमित करके, हम केवल “सतह चार्ज के विपरीत ध्रुवीयता वाले आयन” प्राप्त कर सकते हैं। इसलिए, नैनोचैनल के माध्यम से तरल प्रवाह की अनुमति देकर, हम धारा और वोल्टेज उत्पन्न कर सकते हैं, उन्होंने जोड़ा।

HV उपकरणों में वोल्टेज और धारा उत्पन्न करने के मूलभूत तंत्र को समझने के लिए ठोस-तरल इंटरफ़ेस गुणों और तरल नैनोकन्फाइनमेंट, अर्थात् नैनोचैनल ज्यामिति, पर नियंत्रण आवश्यक है।

निष्कर्ष में, अध्ययन ने 0.1 M पर 8 μW/cm2 की उच्च शक्ति घनत्व आउटपुट दिखाया, जो नलके के पानी से चलने वाले उपकरणों के समान शक्ति आउटपुट के साथ है, लेकिन “पहले रिपोर्ट किए गए दो क्रम magnitude उच्च सांद्रता” के साथ। यह HV सिस्टम की व्यापक अनुप्रयोगिता को विभिन्न लवणता स्केल पर खोलता है, जहाँ इष्टतम संचालन स्थितियों को विशिष्ट अंतरसतही घटनाओं द्वारा निर्धारित किया जाता है।

Tagliabue ने बताया कि नैनोडिवाइस की सतह चार्ज के रासायनिक संतुलन का उपयोग करके HV उपकरणों को लवणता स्केल पर संचालन का विस्तार किया जा सकता है। इसलिए, जैसे-जैसे तरल आयन की सांद्रता बढ़ती है, नैनोडिवाइस की सतह चार्ज भी बढ़ती है, जिससे हम “बड़े तरल चैनलों का उपयोग कर सकते हैं जबकि उच्च-सांद्रता वाले तरल के साथ काम कर सकते हैं। यह नलके या समुद्री जल के साथ उपयोग के लिए उपकरण बनाना आसान बनाता है, केवल शुद्ध जल के बजाय,” Tagliabue ने कहा।

इस प्रकार, अध्ययन का तर्क है कि यह वाष्पीकरण-चालित हाइड्रोवोल्टिक (EDHV) उपकरणों को अनुकूलित करने के लिए प्रमुख अंतर्दृष्टि और एक डिजाइन टूल प्रदान करता है, साथ ही इन स्व-शक्तिकरण सिस्टम के व्यापक अनुप्रयोग अवसरों की ओर इशारा करता है।

अध्ययन बताता है कि उनके खुले-परिपथ वोल्टेज (VOC) के प्रदर्शन मीट्रिक को वाष्पीकरण दर में सुधार करके बढ़ाया जा सकता है। सतह चार्ज और नैनोकन्फाइनमेंट की ज्यामिति के आधार पर, VOC को वाष्पीकरण दर में 5 गुना वृद्धि से दोगुना किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि शक्ति को चार गुना तक बढ़ाया जा सकता है। 

यह मुख्यतः स्ट्रीमिंग धारा में वृद्धि के कारण है, लेकिन इसे पुष्टि करने के लिए इन उपकरणों में तरल गतिकी के अधिक गहन ज्ञान की आवश्यकता होगी।

Exciting Potential Applications of Hydrovoltaic Devices

जल वाष्प पृथ्वी पर हर जगह मौजूद है, जिससे यह एक बड़ा अवसर प्रदान करता है, विशेष रूप से बिजली उत्पादन और वैश्विक ऊर्जा की कमी को कम करने के लिए। इसके लिए, हाइड्रोवोल्टिक उपकरणों का उपयोग विभिन्न तरीकों से ऊर्जा निकालने के लिए किया जा सकता है, जैसे असममित संरचना बनाना। 

हालाँकि, शक्ति उत्पादन तरल की विशेषताओं पर निर्भर करता है, जिसमें उसका प्रकार और घोल में घुलनशील पदार्थ की सांद्रता शामिल है। यह इसलिए है क्योंकि HV प्रभाव में विद्युत ऊर्जा का सृजन इलेक्ट्रिकल डबल लेयर (EDL) के कारण उत्पन्न चार्ज कैरियर्स के संचय से जुड़ा है, जो तरल-ठोस इंटरफ़ेस पर बनती है।

इन चुनौतियों के बावजूद, हाइड्रोवोल्टिक उपकरणों में बड़ी संभावनाएँ हैं क्योंकि निरंतर वाष्पीकरण विभिन्न तापमान और आर्द्रता रेंज में होता है। यह HV उपकरणों को कई रोमांचक अनुप्रयोगों के लिए तैयार करता है, जिसमें शक्ति आपूर्ति, सभी मौसम में शक्ति उत्पादन, और जल संग्रह व जल शोधन शामिल हैं।

अध्ययन ने पाया कि मीठे पानी की स्थितियों में, EDL ओवरलैप एक आवश्यकता है जिसे कम कुल सतह चार्ज और उच्च प्रतिबंध, अर्थात् छोटे नैनोचैनल आकार के तहत प्राप्त किया जा सकता है। फिर भी, सतह क्षेत्र या चार्ज बढ़ाने से बड़े नैनोचैनल आकार संभव हो जाते हैं। 

समुद्री जल की स्थितियों में, सतह चार्ज को नियंत्रित करके बड़े छिद्र व्यास (Dp मान >100 nm) पर एक इष्टतम बनाया जा सकता है, जिससे नैनोमीटर स्केल पर ज्यामितीय प्रतिबंध को रोका जा सकता है, और इन उपकरणों की स्केलेबिलिटी को सुगम बनाया जा सकता है। 

उच्च लवणता स्तरों पर, चार्ज उलटाव का उपयोग ठोस-तरल इंटरफ़ेस और प्रारंभिक सतह चार्ज को न्यूनतम करके किया जा सकता है। हालांकि, इतनी उच्च सांद्रता पर दीर्घकालिक संचालन चुनौतीपूर्ण हो सकता है क्योंकि आयन अवशोषण और लवण क्रिस्टलीकरण होते हैं। यह सतह और नैनोस्ट्रक्चर की ज्यामिति के गुणों पर सीधे प्रभाव डालता है। इसलिए, शोधकर्ताओं ने लिखा कि आगे की जांच आवश्यक है।

अध्ययन के शोधकर्ता भी इस उपकरण की विविध संभावनाओं का अन्वेषण करने की आशा रखते हैं, उन संगठनों के समर्थन से जिन्होंने उन्हें अनुदान दिया है, ताकि इस उभरती तकनीक को समझा और विश्लेषित किया जा सके। 

समर्थन करने वाले संगठनों में से एक, स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (SNSF), जो संघीय सरकार द्वारा नियोजित है, वाष्पीकरण से ऊर्जा प्राप्त करने और बड़े तथा छोटे पैमाने पर “अपशिष्ट-ताप पुनर्प्राप्ति और नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन के लिए एक पूरी नई परिप्रेक्ष्य” विकसित करने का लक्ष्य रखता है। इसमें मध्य यूरोप की सबसे बड़ी झील, लेक जेनेवा, में वास्तविक दुनिया स्थितियों में एक प्रोटोटाइप मॉड्यूल शामिल है, ताकि अल्पाइन झीलों पर हाइड्रोवोल्टिक उत्पादन पर डेटा एकत्र किया जा सके।

SNSF कई वर्षों से ऊर्जा-संबंधी परियोजनाओं का समर्थन कर रहा है ताकि भविष्य में उपयोग के लिए ज्ञान और विशेषज्ञता का विकास किया जा सके। ये परियोजनाएँ ऊर्जा उत्पादन, भंडारण, वितरण और प्रबंधन, तथा दक्षता को कवर करती हैं।

Tagliabue को 2022 में SNSF स्टार्टिंग ग्रांट मिली, जिसके तहत पाँच वर्षों में CHF 1.8 मिलियन प्रदान किए गए। यह फंडिंग टीम को “नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन के लिए हाइड्रोवोल्टिक उपकरणों की नैनोइंजीनियरिंग की दिशा में हमारे प्रयास को विस्तारित करने” में मदद करती है, Tagliabue ने कहा।

उन्होंने उस समय कहा:

“आवश्यक मौलिक समझ, मॉडलिंग टूल और इंजीनियरिंग रणनीतियों को स्थापित करके, यह परियोजना बड़े और छोटे दोनों पैमाने पर वाष्पीकरण को एक व्यापक, सुरक्षित और निरंतर नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत बनाने की दिशा में एक विघटनकारी योगदान प्रदान करेगी।” 

HV उपकरण एक बड़ा अवसर प्रदान करते हैं, और क्योंकि वे कहीं भी तरल मौजूद होने पर काम कर सकते हैं, यहाँ तक कि पसीना भी, इसलिए वे सेंसर में उपयोग के लिए भी संभावनाएँ रखते हैं। यह सब स्वास्थ्य और फिटनेस पहनने योग्य उपकरणों से लेकर स्मार्ट टीवी तक को कवर करता है।

Tagliabue आगे यह समझने में रुचि रखती हैं कि प्रकाश और फोटोटर्मल (विद्युतचुंबकीय विकिरण से संबंधित) प्रभावों का उपयोग कैसे सतह चार्ज और वाष्पीकरण दर को HV सिस्टम में नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है।

अंत में, शोधकर्ता HV सिस्टम और स्वच्छ जल उत्पादन के बीच एक सहजीवी संबंध देखते हैं, जहाँ Anwar ने बताया कि प्राकृतिक वाष्पीकरण को जल शोधन प्रक्रियाओं में कैसे उपयोग किया जाता है। वाष्पीकरण सतह द्वारा उत्पन्न वाष्प को संघनित करके, खारे पानी से मीठा पानी प्राप्त किया जा सकता है।

“अब, आप कल्पना कर सकते हैं कि एक HV सिस्टम का उपयोग करके एक ही समय में साफ पानी उत्पन्न किया जाए और बिजली भी प्राप्त की जाए।” 

– Anwar

Conclusion 

ऊर्जा और पर्यावरणीय समस्याओं के निरंतर बढ़ने के साथ, कुशल, लचीले और पर्यावरण-अनुकूल समाधान की आवश्यकता है। यहाँ, हाइड्रोवोल्टिक उपकरण व्यापक जल वाष्पीकरण का उपयोग करके विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करके अत्यधिक मदद कर सकते हैं। 

हालाँकि, यह नवाचार बिना चुनौतियों के नहीं है। ये चुनौतियाँ उत्पन्न शक्ति के व्यावहारिक अनुप्रयोग आवश्यकताओं से कम होने, वास्तविक दुनिया की स्थितियों में स्थिरता और टिकाऊपन के बारे में अनिश्चितताओं, और बड़े पैमाने पर एकीकृत अनुप्रयोगों को प्राप्त करने में बाधाओं के रूप में प्रकट होती हैं। इन बाधाओं के बावजूद, हाइड्रोवोल्कैनिक सामग्री और उपकरणों पर तकनीक और शोध अभी भी अपने प्रारंभिक चरण में हैं, और उनके व्यापक उपयोग के लिए अधिक उन्नत तकनीकों और अधिक शोध की आवश्यकता है।

साधारण शब्दों में, हाइड्रोवोल्टिक उपकरणों के पास ऐसे बड़े लाभ हैं जिन्हें अनदेखा नहीं किया जा सकता। जटिल, महंगे और पर्यावरण को नुकसान पहुँचाने वाले समाधान की तुलना में, यह भविष्य में शक्ति उत्पादन के लिए एक नवीन और आशाजनक विधि प्रस्तुत करता है। और समय के साथ, हाइड्रोवोल्टिक उपकरणों को एक व्यवहार्य और व्यापक उद्योग में विकसित होते देखना अपेक्षित है।

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