क्वांटम ऊर्जा हार्वेस्टर्स अगले पीढ़ी को शक्ति प्रदान करते हैं

Researchers from the Institute of Science, Tokyo, have developed a way to improve energy harvesters for electronics. Their novel approach utilizes quantum mechanics to surpass the thermodynamic limits found in traditional energy harvesting systems. As such, their work has the potential to transform wasted energy into a viable power source for tomorrow’s high-tech devices. Here’s what you need to know.

ऊर्जा संग्रहण

ऊर्जा संग्रहण एक स्थापित सिद्धांत है जो सरलता से पर्यावरण या तकनीकों द्वारा उत्सर्जित बर्बाद ऊर्जा को अन्य उपकरणों के लिए शक्ति में परिवर्तित करने को दर्शाता है। पहले, इस विज्ञान में समुद्र की सतह और उसके गहरे क्षेत्रों के बीच तापमान अंतर का उपयोग करके शक्ति उत्पन्न करने जैसी अवधारणाएँ शामिल थीं। ऊर्जा संग्रहण का एक प्रसिद्ध उदाहरण निकोला टेस्ला का ऊर्जा टॉवर है, जो बिना किसी तार के एक बल्ब को चलाने में सक्षम था।

आधुनिक ऊर्जा संग्रहण दक्षता को सीमित करने वाली चुनौतियाँ

ऊर्जा संग्रहण तकनीकें निरंतर सुधार रही हैं। हालांकि, अभी भी कई सीमाएँ हैं जिन्हें वैज्ञानिकों को इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए पार करना होगा। एक बात यह है कि पारंपरिक ऊर्जा-संग्रहण तकनीकें थर्मोडायनामिक्स के नियमों से बंधी होती हैं, जिसमें शामिल हैं:

कार्नोट दक्षता

आज ऊर्जा संग्रहण को सीमित करने वाले मुख्य प्रतिबंधक कारकों में से एक को कार्नोट दक्षता कहा जाता है। यह थर्मोडायनामिक्स का नियम अलग-अलग ताप स्रोतों के बीच अधिकतम तापीय स्थानांतरण क्षमता और दक्षता को वर्णित करता है। यह प्रतिशत वैज्ञानिकों को यह सटीक रूप से भविष्यवाणी करने में सक्षम बनाता है कि बर्बाद गर्मी से कितनी ऊर्जा उत्पन्न की जा सकती है।

कुर्ज़ोन-आह्लबर्न दक्षता

कुर्ज़ोन-आह्लबर्न दक्षता एक अन्य महत्वपूर्ण नियम है जिसने ऊर्जा हार्वेस्टर्स की प्रभावशीलता को भी सीमित किया है। इसका उपयोग पूर्ण शक्ति संचालन पर प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम दक्षता को परिभाषित करने के लिए किया जाता है। यह समीकरण, कार्नोट दक्षता के साथ, इंजीनियरों द्वारा ऊर्जा संग्रहण उपकरणों को अनुकूलित और सुधारने के लिए उपयोग किया जाता है।

ऊर्जा संग्रहण दक्षता सुधारने के लिए क्वांटम अध्ययन

इन सीमाओं को पहचानते हुए, जापान के नवाचारी शोधकर्ताओं की टीम ने ताप स्थानांतरण तकनीकों के लिए एक नया दृष्टिकोण अपनाया है। Communications Physics में प्रकाशित Efficient heat-energy conversion from a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid¹ अध्ययन एक नई रणनीति प्रस्तुत करता है जो क्वांटम मैकेनिक्स का उपयोग करके पारंपरिक थर्मोडायनामिक्स की सीमाओं को पार करती है।

गैर-थर्मल टॉमोनागा-लट्टींगर लिक्विड

अध्ययन के केंद्र में गैर-थर्मल टॉमोनागा-लट्टींगर लिक्विड का उपयोग करके गर्मी ऊर्जा को पकड़ना और स्थानांतरित करना है। क्वांटम हीट इंजन के उपयोग में कई प्रमुख लाभ हैं। उदाहरण के लिए, ये क्वांटम हीट इंजन गैर-थर्मल भंडार—यहाँ, एक गैर-थर्मल टॉमोनागा–लट्टींगर (TL) लिक्विड—का उपयोग करके क्लासिक सेटअप की तुलना में अधिक उपयोगी कार्य निकालते हैं।

क्वांटम हॉल एज चैनल (1D ट्रांसपोर्ट)

क्वांटम दृष्टिकोण का उपयोग करके, इंजीनियरों ने अनुकूलित क्वांटम हॉल एज चैनलों के भीतर स्वाभाविक रूप से एक गैर-थर्मल अवस्था बनाई। यह विधि ऊर्जा को एक आयाम में विभाजित करने के लिए कार्बन नैनोट्यूब्स पर निर्भर करती है।

यह दृष्टिकोण गैर-थर्मल अवस्था का द्विआधारी फर्मी वितरण फ़ंक्शन सक्षम करता है। यह अवस्था एंट्रॉपी-संरक्षण संतुलन द्वारा स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होती है। उल्लेखनीय रूप से, यह क्वांटम अवस्था आदर्श है क्योंकि यह थर्मलाइज़ेशन नहीं undergo करती, जिससे बर्बाद या बाहर निकलने वाली गर्मी ऊर्जा कम हो जाती है।

यह रणनीति एक-आयामी इलेक्ट्रॉन प्रणाली को गर्मी अवस्था को सीधे स्थानांतरित करने की अनुमति देती है। यह विधि उच्च-ऊर्जा अवस्था को बिना वितरित किए रखती है, जैसा कि पूर्व ऊर्जा संग्रहण तकनीकों में होता था। इसके बाद, टीम ने एक कंप्यूटर मॉडल बनाया जिसे भविष्य की ऊर्जा संग्रहण तकनीकों को अधिक दक्षता के साथ डिजाइन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

क्वांटम ऊर्जा हार्वेस्टर का प्रयोगात्मक परीक्षण

अपने शोध के हिस्से के रूप में, इंजीनियरों ने एक कार्यशील ऊर्जा संग्रहण इंजन बनाया। इस उपकरण ने क्वांटम-डॉट ऊर्जा को क्वांटम-पॉइंट-कॉन्टैक्ट ट्रांज़िस्टर से स्थानांतरित करने के लिए एक गैर-थर्मल टॉमोनागा-लट्टींगर (TL) लिक्विड रणनीति को एकीकृत किया।

यह अवधारणा प्रमाण क्वांटम पॉइंट कॉन्टैक्ट ट्रांज़िस्टर से उत्पन्न गर्मी को सीधे लिक्विड में अधिकतम दक्षता के साथ पकड़ता है। दिलचस्प बात यह है कि क्वांटम डॉट्स ने गर्मी को TL लिक्विड में माइक्रोमीटर-स्तर की दूरी पर स्थानांतरित किया, जिससे प्रसार सीमित हो गया।

ऊर्जा हार्वेस्टर्स सुधारने के परीक्षण परिणाम

वैज्ञानिक इस बात से प्रसन्न हुए कि उन्होंने अपने नए दृष्टिकोण को सफलतापूर्वक पूर्व ऊर्जा संग्रहण विधियों से बेहतर साबित किया। क्वासी-थर्मलाइज़्ड TL लिक्विड की तुलना में गैर-थर्मल TL लिक्विड के उपयोग ने अधिक विद्युत रूपांतरण दक्षता और उच्च विद्युत प्रेरक बल प्रदान किया।

क्वांटम डॉट गर्मी ऊर्जा हार्वेस्टर ने कार्नोट दक्षता और कुर्ज़ोन-आह्लबर्न दक्षता दोनों की सीमाओं से अधिक दक्षता हासिल की। परिणामस्वरूप, यह विकास ऊर्जा संग्रहण और क्वांटम प्रौद्योगिकियों में एक प्रमुख मील का पत्थर है। स्क्रॉल करने के लिए स्वाइप करें →

सिस्टम प्रकार	दक्षता सीमा	वास्तविक प्राप्त दक्षता
पारंपरिक थर्मल हार्वेस्टर	≤ 40% (Carnot सीमा)	~30%
कुर्ज़ोन–आह्लबर्न इंजन	≤ 35%	~28%
क्वांटम TL लिक्विड इंजन	क्लासिकल सीमाओं को पार करता है	>45% (प्रायोगिक)

क्वांटम ऊर्जा संग्रहण प्रौद्योगिकी के लाभ

इस कार्य से क्षेत्र को कई लाभ मिलते हैं। सबसे पहले, यह पारंपरिक ऊर्जा संग्रहण विकल्पों के लिए एक कार्यशील उच्च-प्रदर्शन वैकल्पिक समाधान प्रदर्शित करता है। यह समाधान बर्बाद गर्मी को रिकॉर्ड दक्षता के साथ बिजली में परिवर्तित कर सकता है, जिससे अधिक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक्स, क्वांटम उपकरण और अन्य चीजों के लिए द्वार खुलता है।

वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग और समयरेखा

Improving Energy Harvesters अध्ययन भविष्य में अधिक कुशल और शक्तिशाली ऊर्जा संग्रहण प्रौद्योगिकियों के द्वार खोलता है। अंतरिक्ष यात्रा से लेकर आपके स्मार्टफ़ोन को ठंडा रखने तक, यह तकनीक इंजीनियरों के उपकरण निर्माण के तरीके को बदल देगी। यहाँ कुछ संभावित अनुप्रयोग हैं।

सुरक्षा

सुरक्षा अनुप्रयोगों को उन स्थानों और उपकरणों से बर्बाद ऊर्जा को संग्रहित करने की क्षमता से बहुत लाभ मिलेगा जिन्हें वे निगरानी करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। कल्पना करें कि पावर प्लांट्स में 24 घंटे के सुरक्षा उपकरण टरबाइन की गर्मी से चल रहे हों, बजाय कि स्थान के विद्युत ग्रिड से उत्पन्न शक्ति के।

चिकित्सा

चिकित्सा क्षेत्र इस तकनीक के उपयोग मामलों को निश्चित रूप से पाएगा। उन्नत ऊर्जा संग्रहण तकनीकें पहले से ही पायज़ो-इलेक्ट्रॉनिक पहनने योग्य उपकरणों में उपयोग हो रही हैं। भविष्य में, क्वांटम डॉट ऊर्जा हार्वेस्टर्स कम शक्ति वाले उपकरणों जैसे हृदय मॉनिटर को अधिक समय तक चलाने और बैटरी प्रदूषण के जोखिम के बिना रखने में मदद कर सकते हैं।

लॉजिस्टिक्स

लॉजिस्टिक्स क्षेत्र इस तकनीक का उपयोग इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) उपकरणों के रूप में करेगा। पहले से ही, ये छोटे स्मार्ट सेंसर अक्षमताओं, धोखाधड़ी और नकली वस्तुओं को कम करने में मदद कर चुके हैं। हालांकि, शक्ति प्रतिबंधों के कारण उनका उपयोग सीमित रहा है। जबकि कुछ सौर ऊर्जा पर निर्भर कर सकते हैं, अधिकांश को बैटरियों या ग्रिड से सीधे कनेक्शन की आवश्यकता होती है।

भविष्य में, IoT उपकरण अपने परिवेश से ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम होंगे। यह रणनीति उन्हें स्केल करने में मदद करेगी, जिससे अरब डॉलर मूल्य की लॉजिस्टिक्स उद्योग की अधिक कुशल निगरानी संभव होगी। अतिरिक्त रूप से, यह उपकरणों के ट्रैकिंग और सुरक्षा से जुड़े लागतों को कम करेगा।

अंतरिक्ष अन्वेषण

अंतरिक्ष अन्वेषण वह क्षेत्र है जो भविष्य में इस तकनीक से सबसे अधिक लाभ उठा सकता है। पहले से ही, अंतरिक्ष कॉलोनियों को शक्ति देने के विश्वसनीय तरीकों की खोज में बहुत काम हो रहा है। यह नवीनतम कार्य भविष्य के अंतरिक्ष यात्रियों और अन्वेषकों के लिए हल्के विकल्पों की आवश्यकता वाले ऊर्जा संग्रहण विकल्पों के द्वार खोलता है।

ऊर्जा हार्वेस्टर्स सुधारने की समयरेखा

आपके इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में क्वांटम ऊर्जा संग्रहण इंजन के उपयोग को देखने में लगभग 10 साल लगेंगे। हालांकि, यह तकनीक सैन्य, अंतरिक्ष और चिकित्सा उद्देश्यों के लिए तेज़ी से आगे बढ़ सकती है। यदि ऐसा हुआ, तो अगले 5-7 वर्षों में व्यावसायिक विकल्प उभरना शुरू हो सकते हैं।

ऊर्जा हार्वेस्टर्स सुधारने वाले शोधकर्ता

ऊर्जा हार्वेस्टर्स सुधारने वाले अध्ययन में टोक्यो के इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस के भौतिकी विभाग और NTT बेसिक रिसर्च लैबोरेटरीज़ के बीच सहयोग किया गया था। इस पत्र में प्रोफेसर तोशिमासा फुजिसावा को मुख्य शोधकर्ता के रूप में सूचीबद्ध किया गया है, जिसमें शोधकर्ता कोजी मुराकी का समर्थन है।

अतिरिक्त शोध और सहायता हिकару यामाज़ाकी, मसाशी उएमुरा, हरुही तानाका, टोकुरो हाता, चाओजिंग लिन, और ताकाफुमी अकीहो द्वारा प्रदान की गई। इसके अतिरिक्त, इस परियोजना के लिए फंडिंग जापान सोसाइटी फॉर द प्रमोशन ऑफ साइंस और शिक्षा, संस्कृति, खेल, विज्ञान और प्रौद्योगिकी मंत्रालय द्वारा प्रदान की गई।

ऊर्जा हार्वेस्टर्स सुधारने का भविष्य

ऊर्जा हार्वेस्टर्स का भविष्य उत्साहजनक दिखता है। यह तकनीक वैश्विक ऊर्जा दक्षता को अधिकतम करने और पेरिस समझौते द्वारा निर्धारित शून्य-कार्बन लक्ष्य हासिल करने के लिए आवश्यक होगी। अभी के लिए, टीम अपने डिज़ाइन को सुधारने और अपने संचालन को विस्तारित करने के लिए निर्माण साझेदारों की खोज पर काम करेगी।

उन्नत ऊर्जा क्षेत्र में निवेश

ऊर्जा हार्वेस्टर्स क्षेत्र में कई कंपनियां प्रतिस्पर्धा कर रही हैं। ये फर्में अपने अनूठे उपकरणों के माध्यम से प्रदूषण को कम करने और खोई हुई ऊर्जा को पुनः प्राप्त करने का लक्ष्य रखती हैं। यहाँ एक कंपनी है जो नवाचारी भावना दिखाते हुए विश्वसनीय उत्पाद और सेवाएँ प्रदान करती रहती है।

Energy Vault

Energy Vault (NRGV ) ने 2017 में समुदायों के लिए वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत प्रदान करने के लिए बाजार में प्रवेश किया। कंपनी के संस्थापक, रॉबर्ट एलन पिकॉनी और विलियम ग्रॉस, ग्रैविटेशनल पोटेंशियल ऊर्जा का उपयोग करके क्रेन सिस्टम के माध्यम से ऊर्जा बनाने की कल्पना की।

इस अनूठे दृष्टिकोण ने लॉन्च से ही निवेशकों और शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया। 2019 में, कंपनी ने अपने अनूठे डिजाइन और ऑफ-ग्रिड स्टोरेज विधियों के कारण फास्ट कंपनी के विश्व परिवर्तनकारी विचार पुरस्कार जीता। उल्लेखनीय रूप से, कंपनी ने 2020 में स्विट्ज़रलैंड के कास्टियोने-आर्बेडो में एक कार्यशील क्रेन इलेक्ट्रिकल स्टोरेज ऊर्जा प्रणाली बनाई।

कार्यशील मॉडल ने कुछ सीमाओं को दिखाया जिसने कंपनी को नई विकल्पों की ओर मोड़ दिया, जिसमें G-Vault नामक एक एलिवेटर संस्करण शामिल है। क्रेन संस्करण की तरह, यह ब्लॉकों को उठाकर और नीचे करके ऊर्जा संग्रहीत करता है।

आज, Energy Vault के पास विभिन्न ऊर्जा भंडारण और उत्पादन क्षेत्रों में नवाचारी अवधारणाएँ हैं। हाल ही में, कंपनी ने हाइब्रिड स्टोरेज विधियों, हाइड्रोजन बैटरियों, और अन्य अगली पीढ़ी की तकनीकों में विस्तार किया है। जो भविष्य के ऊर्जा बाजारों में एक्सपोजर चाहते हैं उन्हें Energy Vault के बारे में अधिक शोध करना चाहिए।

नवीनतम BDX (NRGV) स्टॉक समाचार और प्रदर्शन

ऊर्जा हार्वेस्टर्स सुधारना | निष्कर्ष

इन शोधकर्ताओं द्वारा किया गया कार्य एक स्वच्छ और अधिक कुशल भविष्य के द्वार खोलता है। थर्मोडायनामिक्स के कुछ नियमों को पार करने के लिए क्वांटम मैकेनिक्स का उपयोग यह दर्शाता है कि यह तकनीक आगे बढ़ते हुए नई संभावनाएँ बनाने में कैसे मदद करेगी। परिणामस्वरूप, इस टीम को उनके कठिन परिश्रम और चौंकाने वाले खोजों के लिए सराहना मिलनी चाहिए।

अन्य कूल ऊर्जा उपलब्धियों के बारे में जानें यहाँ

संदर्भ

^{1. Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H., Hata, T., Lin, C., Akiho, T., Muraki, K., & Fujisawa, T. (2025). गैर-थर्मल टॉमोनागा-लट्टींगर लिक्विड से कुशल गर्मी-ऊर्जा रूपांतरण। Communications Physics, 8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}