ऊर्जा
कार्बन डॉट्स के माध्यम से कोयला उद्योग की नई कल्पना
दिसंबर 2023 में, कॉन्फ्रेंस ऑफ़ पार्टीज़ (COP) में 198 हस्ताक्षर करने वाले देशों ने सामूहिक रूप से सहमति व्यक्त की कि दुनिया को कोयले जैसे जीवाश्म ईंधनों से “स्थानांतरण” करना चाहिए “न्यायसंगत, व्यवस्थित और समान तरीके से” ताकि 2050 तक ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को लगभग शून्य तक घटाया जा सके। हालांकि, अभी तक कोई समयसीमा निर्धारित नहीं हुई है, इसलिए भविष्य के वर्षों में जीवाश्म ईंधन हर जगह अर्थव्यवस्थाओं का स्तंभ बने रहेंगे।
कोयला विश्व का सबसे प्रमुख और सबसे अधिक कार्बन-गहन ऊर्जा स्रोत है। कोयले के चार मुख्य प्रकार हैं:
(i) एंथ्रासाइट
(ii) बिटुमिनस
(iii) सबबिटुमिनस
(iv) लिग्नाइट
यह जीवाश्म ईंधन वैश्विक विद्युत आपूर्ति का 37% से अधिक भाग है, जो घरों और उद्योगों को शक्ति प्रदान करने और विश्व की ऊर्जा गरीबी को कम करने में मौलिक भूमिका निभाता है। आज भी, लगभग 860 मिलियन लोग बिजली के बिना रह रहे हैं। इस प्रकार, आधुनिक जीवन को कोयले के बिना कल्पना करना असंभव है।
वैश्विक कोयला उपयोग ने 2023 में वास्तव में रिकॉर्ड उच्च स्तर तक पहुंचा, क्योंकि इस जीवाश्म ईंधन की मांग में वर्ष के दौरान 1.4% की वृद्धि हुई और पहली बार 8.5 बिलियन मीट्रिक टन से अधिक हो गई, जैसा कि अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी (IEA) ने रिपोर्ट किया। इसका वैश्विक उपभोग 2026 में 8 बिलियन मीट्रिक टन से ऊपर रहने का पूर्वानुमान है।
कोयला तेज़ी से बढ़ती ऊर्जा खपत की चुनौती का सामना करने के लिए एक आवश्यक संसाधन है, क्योंकि यह अन्य जीवाश्म ईंधनों की तुलना में काफी सस्ता और अधिक सुलभ है। तेल और गैस के विपरीत, इसे दुनिया भर में प्रचुर मात्रा में पाया जा सकता है।
कोयले की खास बात यह है कि इसे उच्च-दाब पाइपलाइन, महंगे प्रसंस्करण या परिवहन के दौरान महंगे संरक्षण की आवश्यकता नहीं होती, जिससे यह अन्य अत्यधिक ज्वलनशील जीवाश्म ईंधनों की तुलना में संग्रहीत और परिवहन करने में आसान है। साथ ही, उपयोग से पहले कोयले को केवल खनन की आवश्यकता होती है, जबकि अन्य जीवाश्म ईंधनों को लंबी और महंगी शोधन प्रक्रिया से गुजरना पड़ता है।
इसके अलावा, कोयले के भंडार ग्रह पर अधिक समान रूप से वितरित हैं। जनवरी 2020 तक, संयुक्त राज्य अमेरिका के पास विश्व के सबसे बड़े कोयला भंडार हैं, जो सभी जीवाश्म ईंधन भंडार का लगभग 90% बनाते हैं, और अनुमानित 250 बिलियन टन हैं।
सस्ते और सुलभ होने के अलावा, कोयला अत्यंत बहुमुखी भी है और विभिन्न प्रक्रियाओं में उपयोग किया जा सकता है। कोयला मुख्य रूप से विश्व भर में बिजली उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है और वास्तव में एक किफायती ऊर्जा रूप है, क्योंकि कोयले से उत्पन्न बिजली अन्य स्रोतों की तुलना में कम महंगी होती है।
संयुक्त राज्य अमेरिका में भी, कोयले को पावर प्लांटों में जलाकर बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है। इस प्रक्रिया से उत्पन्न गर्मी का उपयोग पानी को उच्च-दाब भाप में बदलने के लिए किया जाता है, जो टरबाइन को चलाती है और फिर बिजली उत्पन्न करती है। 2019 में, यू.एस. ऊर्जा सूचना प्रशासन के अनुसार, लगभग 23% सभी बिजली कोयला-चालित पावर प्लांटों द्वारा उत्पन्न हुई।
यह जीवाश्म ईंधन इस्पात और कंक्रीट उत्पादन में भी उपयोग किया जाता है और लोहे के निर्माण में एक मुख्य घटक है, साथ ही एल्यूमीनियम और तांबे जैसे अन्य धातुओं में भी। कोयला और इसके उप-उत्पाद जल शोधन और वायु शुद्धिकरण प्रणालियों, हवाई जहाज और ऑटोमोबाइल निर्माण, दवाओं, और दुर्लभ पृथ्वी तत्वों को निकालने की रासायनिक प्रक्रियाओं में भी उपयोग होते हैं।
कोयले के गैसिफिकेशन और लिक्विफिकेशन उपयोग मामलों में, अधिकांश कोयला-से-गैस परियोजनाएँ यू.एस.ए. और चीन में स्थित हैं, जबकि कुछ ऑस्ट्रेलिया, कनाडा, भारत, दक्षिण अफ्रीका और इंडोनेशिया में हैं। रासायनिक बिल्डिंग ब्लॉक्स जैसे अमोनिया, मेथनॉल और यूरिया के उत्पादन के अलावा, कोयला कागज, वस्त्र और कांच उद्योगों में भी उपयोग होता है। कार्बन फाइबर के निर्माण के साथ, यह सिलिकॉन धातुओं जैसे घटकों को प्रदान करता है, जो व्यक्तिगत देखभाल और घरेलू क्षेत्रों के लिए घटकों के उत्पादन में उपयोग होते हैं।
कोयले की प्रचुरता, किफायतीपन और विश्वसनीयता के बावजूद, उद्योग को शून्य उत्सर्जन की दिशा में तकनीकों और मार्गों के विकास में चुनौतियों का सामना करना पड़ रहा है, जिसे जलवायु परिवर्तन का एक कारक माना जाता है।
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कोयले की आर्थिक भूमिका का पुनर्मूल्यांकन
दुनिया भर के देश अपने योगदान के कारण जलवायु परिवर्तन को रोकने के लिए अन्य ऊर्जा उत्पादन साधनों की ओर स्थानांतरित होने का वचन देते हुए, शोधकर्ता और वैज्ञानिक कोयले को उपयोग करने के अन्य तरीकों की तलाश कर रहे हैं।
जीवाश्म ईंधन की आर्थिक भूमिका का पुनर्मूल्यांकन करने के लिए, ताइवान सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग कंपनी, नेशनल एनर्जी टेक्नोलॉजी लैबोरेटरी, यूनिवर्सिटी ऑफ़ इलिनॉय अर्बाना-शैंपेन, और ओक रिज़ नेशनल लैबोरेटरी ने एक संयुक्त शोध प्रयास किया और अगले पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में कोयले की महत्वपूर्ण भूमिका को प्रदर्शित किया।
हाल के वर्षों में, 2D सामग्री के क्षेत्र में उनके विद्युत, प्रकाशीय और यांत्रिक गुणों के कारण बहुत शोध हुआ है। एटॉमिक रूप से पतली 2D सामग्री का संश्लेषण लेयर-बाय-लेयर सामग्री के लिए एक नया मंच खोलता है, जो अज्ञात गुणों की खोज को सक्षम करता है और नई तकनीकों की एक श्रृंखला का वादा करता है।
2D लेयरड सेमीकंडक्टर्स में उच्च गतिशीलता, कम-शक्ति स्विचिंग, अपेक्षाकृत बड़ा बैंडगैप, और बड़े-क्षेत्रीय वृद्धि विधियों की उपलब्धता जैसी विशेषताएँ होती हैं, जिससे वे अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनते हैं। अब, कोयले को ऐसे इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए प्रयोग किया जा रहा है।
“कोयला आमतौर पर भारी और गंदा माना जाता है, लेकिन हमने जो प्रसंस्करण तकनीकें विकसित की हैं, वे इसे कुछ एटॉमिक मोटाई के शुद्ध पदार्थ में बदल सकती हैं।”
– कहा क़िंग काओ, यू. ऑफ़ आई. मैटेरियल्स साइंस & इंजीनियरिंग प्रोफेसर, जिन्होंने इस प्रयास का सह-नेतृत्व किया।
उन्होंने यह भी नोट किया:
“उनकी अनोखी एटॉमिक संरचनाएँ और गुण सबसे छोटे संभव इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के लिए आदर्श हैं, जिनका प्रदर्शन मौजूदा तकनीक से श्रेष्ठ है।”
इस सहयोग के तहत, शोधकर्ताओं ने कोयला चार को अत्यंत छोटे कार्बन डिस्क में परिवर्तित करने की प्रक्रिया विकसित की, जिन्हें “कार्बन डॉट्स” कहा जाता है।
शोध समूह के अनुसार, इन नैनोस्केल कार्बन डिस्क को जोड़कर एटॉमिक रूप से पतली मेम्ब्रेन बनाई जा सकती है। इन मेम्ब्रेन को दो-आयामी (2D) ट्रांजिस्टर और मेम्रिस्टर्स जैसी तकनीकों में उपयोग किया जा सकता है। शोधकर्ताओं के अनुसार, ये तकनीकें अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण में महत्वपूर्ण होंगी।
जबकि कार्बन-आधारित सामग्री, चाहे वह पारंपरिक औद्योगिक कार्बन जैसे कार्बन ब्लैक हो या नया औद्योगिक कार्बन जैसे ग्रेफाइट और कार्बन फाइबर, सामग्री विज्ञान के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, मैक्रोस्कोपिक कार्बन सामग्री को उपयुक्त बैंड गैप की कमी के कारण प्रभावी फ्लोरेसेंट सामग्री के रूप में उपयोग नहीं किया जा सकता। यही वह जगह है जहाँ कार्बन डॉट्स (CDs) एक आशाजनक समाधान के रूप में उभरे हैं।
कार्बन डॉट्स या CDs एक नई प्रकार की कार्बन-आधारित नैनोमैटेरियल हैं, जो अपने विविध भौतिक‑रासायनिक गुणों के कारण व्यापक ध्यान और शोध आकर्षित कर रहे हैं। कार्बन डॉट्स को सावधानीपूर्वक तैयार किया जाता है और आमतौर पर 10 नैनोमीटर से छोटे होते हैं। इस कार्बन-आधारित नैनोमैटेरियल में छोटे आकार, पर्यावरण‑मित्रता, कम लागत, कम विषाक्तता, उच्च स्थिरता, अच्छी बायोकम्पैटिबिलिटी, इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, उच्च क्वांटम यील्ड, प्रचुर कार्यात्मक समूह, और अनोखी प्रकाशीय विशेषताएँ जैसे मजबूत अवशोषण, फोटोल्यूमिनेसेंस और फॉस्फोरेंस जैसी विशेषताएँ होती हैं।
इन सभी गुणों के कारण यह नया कार्बन परिवार का पदार्थ बहुत लोकप्रिय है और इसके कई अनुप्रयोग हैं। इनमें शामिल हैं:
- सेंसर
- सूचना एन्क्रिप्शन
- फोटोकैटलिसिस
- लाइट‑इमिटिंग डायोड्स
- रासायनिक सेंसरिंग
- सोलर सेल्स
- सुपरकैपेसिटर
- रीचार्जेबल बैटरियां
- बायोइमेजिंग
- फोटोथेरेपी
- जीन डिलीवरी
- ड्रज डिलीवरी
- विस्फोटक पहचान
- नैनोमेडिसिन
- खाद्य सुरक्षा
- एंटी‑काउंटरफ़िटिंग
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कोयला अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा
दुनिया भर के शोधकर्ता और वैज्ञानिक छोटे, तेज़ और अधिक उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने पर काम कर रहे हैं। इसका अर्थ है कि केवल एक या दो एटॉमिक मोटाई वाली सामग्री से बने उपकरण बहुत तेज़ी से काम करेंगे और बहुत कम ऊर्जा खर्च करेंगे।
इन उपकरणों की दिशा में, अल्ट्राथिन सेमीकंडक्टर्स पर कई अध्ययन किए गए हैं, लेकिन अब कार्यशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे ट्रांजिस्टर और मेम्रिस्टर्स बनाने के लिए एटॉमिक रूप से पतले इंसुलेटर पर व्यापक शोध की आवश्यकता है।
सामग्री को उनके विद्युत धारा संचालित करने की क्षमता के आधार पर कंडक्टर, सेमीकंडक्टर और इंसुलेटर में विभाजित किया जाता है। तांबा, पीतल, स्टील, सोना और एल्युमीनियम जैसी सामग्री, जिनकी विद्युत प्रतिरोध कम होती है, आसानी से विद्युत धारा संचालित करती हैं और इन्हें कंडक्टर कहा जाता है।
इंसुलेटर वे सामग्री हैं जैसे काँच, हवा, लकड़ी, प्लास्टिक और रबर, जो आसानी से विद्युत धारा नहीं चलाते। जबकि सिलिकॉन (Si), जर्मेनियम (Ge) और सेलेनियम (Se) जैसी सामग्री, साथ ही गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) और इंडियम एंटिमोनीड (InSb) जैसे यौगिक, का विद्युत चालकता मान कंडक्टर और इंसुलेटर के बीच आता है।
सेमीकंडक्टर का प्रतिरोध तापमान बढ़ने पर घटता है, जबकि सेमीकंडक्टर की चालकता तापमान बढ़ने पर बढ़ती है।
इंसुलेटर के कई उपयोग हैं, जैसे दीवार इन्सुलेशन के माध्यम से गर्मी प्रवाह को नियंत्रित करना, भट्टी इन्सुलेशन के लिए थर्मल और डाइलेक्ट्रिक बाधाएँ, ध्वनि इन्सुलेशन के द्वारा शोर को रोकना, और घरेलू सर्किट्री तथा व्यावसायिक एवं उपभोक्ता वस्तुओं में कैपेसिटर में विद्युत इन्सुलेशन। सेमीकंडक्टर्स हमारे आसपास हैं, जैसे छोटे ट्रांजिस्टर जो लगभग हर गैजेट में होते हैं और सोलर सेल्स जो सौर पैनलों में सूर्य की रोशनी को बिजली में बदलते हैं।
इंसुलेटर में वैलेन्स और कंडक्शन बैंड के बीच ऊर्जा अंतर बहुत बड़ा होता है (लगभग 15 eV), जबकि सेमीकंडक्टर में यह अंतर बहुत छोटा होता है (लगभग 1 eV)।
नवीनतम अध्ययन के अनुसार, असमान एटॉमिक संरचना वाले कार्बन की एटॉमिक रूप से पतली परतें उत्कृष्ट इंसुलेटर के रूप में कार्य कर सकती हैं, जिससे 2D उपकरणों का निर्माण संभव हो सकता है, जिसे टीम ने कोयला चार से प्राप्त कार्बन डॉट्स से बनाया।
अब, कोयला‑उत्पन्न कार्बन परतों की संभावनाओं को दिखाने के लिए, शोधकर्ताओं ने उन्हें 2D ट्रांजिस्टर में गेट डाइइलेक्ट्रिक के रूप में उपयोग किया। सेमीकंडक्टर मोलेब्डेनम डिसल्फाइड पर निर्मित इस डिवाइस ने दो गुना तेज़ संचालन गति और कम ऊर्जा खपत हासिल की।
इन कोयला‑उत्पन्न कार्बन परतों में “डैंगलिंग बांड्स” नहीं होते, जो पारंपरिक 3D इंसुलेटर की सतहों पर प्रचुर मात्रा में होते हैं। प्रभावी रूप से “ट्रैप” के रूप में कार्य करके, वे 3D इंसुलेटर की विद्युत गुणधर्मों को बदलते हैं, जिससे मोबाइल चार्ज के परिवहन में धीमी गति आती है और ट्रांजिस्टर की स्विचिंग गति प्रभावित होती है।
हालांकि, नई कोयला‑उत्पन्न कार्बन परतें, अन्य एटॉमिक रूप से पतली सामग्री के विपरीत, अमॉर्फस हैं, और अनचाहे विद्युत प्रवाह इंसुलेटर के माध्यम से बहते हैं, जिससे डिवाइस संचालन के दौरान अतिरिक्त शक्ति खपत बढ़ती है। श्री क़िंग काओ ने कहा:
“यह वास्तव में बहुत रोमांचक है, क्योंकि यह पहली बार है कि कोयला, जिसे हम सामान्यतः लो‑टेक के रूप में देखते हैं, को सीधे माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स की अत्याधुनिक तकनीक से जोड़ा गया है।”
एक और अनुप्रयोग जो शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया वह मेम्रिस्टर्स हैं, इलेक्ट्रॉनिक घटक जो डेटा को संग्रहीत और संचालित कर सकते हैं, जिससे कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) के कार्यान्वयन में उल्लेखनीय सुधार होता है। ये डिवाइस एक चालक फिलामेंट को मॉड्यूलेट करके डेटा को संग्रहीत और प्रदर्शित करते हैं।
अत्यंत पतले कार्बन परतों को इंसुलेटर के रूप में उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने कम ऊर्जा खपत के साथ तेज़ फिलामेंट गठन प्राप्त किया, जिससे डिवाइस उच्च गति पर कम शक्ति के साथ काम कर सका। अतिरिक्त रूप से, इन कोयला‑उत्पन्न कार्बन परतों में एटॉमिक आकार के रिंग्स फिलामेंट को फँसाते हैं, जिससे डिवाइस संचालन की पुनरावृत्ति क्षमता बढ़ती है और डेटा संग्रहण की विश्वसनीयता में सुधार होता है।
ये नई डिवाइस दर्शाते हैं कि कोयला चार से प्राप्त कार्बन परतों को 2D उपकरणों में उपयोग किया जा सकता है। अगले चरण में, सहयोगी प्रयास बड़े पैमाने पर लागू किए जा सकने वाले “कोयला‑आधारित कार्बन इंसुलेटर के निर्माण प्रक्रिया” के विकास की ओर बढ़ेगा।
नए दृष्टिकोण का उपयोग
जबकि दुनिया ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने पर बढ़ते ध्यान के कारण कार्बन से दूर स्थानांतरित हो रही है, उद्योग में चल रहा शोध विभिन्न उद्योगों, जैसे सेमीकंडक्टर निर्माताओं, को भविष्य में इसके नए रूपों का उपयोग करने की संभावना दिखा रहा है। तो चलिए देखते हैं कि कौन-सी कंपनियां इस प्रकार के दृष्टिकोण को अपना सकती हैं।
#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing
यह विश्व का सबसे बड़ा चिप निर्माता है जो उद्योग में सबसे उन्नत प्रक्रिया तकनीकों का उपयोग करता है। ताइवान सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग कंपनी कई उच्च-प्रोफ़ाइल ग्राहकों की जरूरतों को पूरा करने के लिए जानी जाती है, जिनमें NVIDIA, AMD, Intel और Apple शामिल हैं। कंपनी का उत्पाद अनुप्रयोग क्षेत्र व्यापक इलेक्ट्रिक उद्योग को कवर करता है, और यह धीरे‑धीरे तीन महाद्वीपों में फैले कारखानों के साथ विश्व भर में विस्तार कर रही है।
(TSM )
530.26 बिलियन डॉलर के मार्केट कैप के साथ, TSM शेयर वर्तमान में 101.40 डॉलर पर ट्रेड हो रहे हैं, वर्ष‑से‑वर्तमान (YTD) में 1.69% गिरावट के साथ। कंपनी ने पिछले बारह महीनों (TTM) में 69.84 बिलियन डॉलर का राजस्व दर्ज किया है, जबकि EPS (TTM) 5.36, P/E (TTM) 19.08, और ROE (TTM) 29.43% है। ताइवान सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग 1.88% का डिविडेंड यील्ड भी देता है।
#2. NVIDIA Corporation
यह कंपनी गेमिंग, लैपटॉप, डेटा सेंटर और एप्लिकेशन के लिए हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर विकसित करती है और विशेष रूप से विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए ग्राफ़िक्स प्रोसेसिंग यूनिट्स (GPUs) बनाने के लिए जानी जाती है, जिसमें गेम, क्रिप्टो माइनिंग और AI शामिल हैं।
हाल ही में, Nvidia ने अपने नए डेस्कटॉप ग्राफ़िक्स प्रोसेसर, GeForce RTX 40 SUPER सीरीज़, को वीडियो गेम उत्साही लोगों के साथ-साथ स्थानीय रूप से AI एप्लिकेशन चलाने के लिए लॉन्च किया। Nvidia चीन के EV सेक्टर में भी अपनी पहुंच बढ़ा रहा है, क्योंकि उसने घोषणा की है कि चार चीनी EV ब्रांड उसके तकनीक का उपयोग स्वचालित ड्राइविंग सिस्टम के लिए करेंगे।
(NVDA )
1.29 ट्रिलियन डॉलर के मार्केट कैप के साथ, NVDA शेयर वर्तमान में 522.58 डॉलर पर ट्रेड हो रहे हैं, वर्ष‑से‑वर्तमान (YTD) में 5.5% वृद्धि के साथ। कंपनी ने पिछले बारह महीनों (TTM) में 44.87 बिलियन डॉलर का राजस्व दर्ज किया है, जबकि EPS (TTM) 7.57, P/E (TTM) 68.99, और ROE (TTM) 69.17% है। Nvidia भी 0.03% का डिविडेंड यील्ड देता है।
#3. Advanced Micro Devices, Inc.
यह CPU और GPU डिज़ाइनर सबसे बड़े चिप कंपनियों में से एक है, जिसने हाल ही में Ryzen 8000G सीरीज़ की घोषणा की, जिसका प्रमुख मॉडल Ryzen 7 8700G है, जिसे AMD के अनुसार सबसे तेज़ इंटीग्रेटेड ग्राफ़िक्स एक्सेलेरेटर कहा गया है। इसी बीच, Advanced Micro Devices का नवीनतम GPU, Radeon सीरीज़, गेमर बाजार के निचले और मध्य स्तर को लक्षित करता है।
(AMD )
236.154 बिलियन डॉलर के मार्केट कैप के साथ, AMD शेयर वर्तमान में 145.21 डॉलर पर ट्रेड हो रहे हैं, वर्ष‑से‑वर्तमान (YTD) में 0.83% गिरावट के साथ। कंपनी ने पिछले बारह महीनों (TTM) में 22.11 बिलियन डॉलर का राजस्व दर्ज किया है, जबकि EPS (TTM) 0.13, P/E (TTM) 1,152.84, और ROE (TTM) 0.38% है।
निष्कर्ष
इस प्रकार, जैसा कि हम देख सकते हैं, कोयला उद्योग को वैज्ञानिकों और शोधकर्ताओं द्वारा उसके मूल्य को उजागर करने और कार्बन डॉट्स बनाकर कुछ अनोखी विशेषताएँ प्रदर्शित करने के लिए परिवर्तित किया जा रहा है, जो उन्हें अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में वास्तव में उपयोगी बना सकती हैं। इस प्रकार, कोयला उद्योग सतत तरीके से इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियों के भविष्य को आकार देने में मदद कर सकता है।
