ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर: प्लास्टिक बीड्स से चलने वाली पहनने योग्य तकनीक

एक अंतरराष्ट्रीय इंजीनियरों की टीम ने हाल ही में ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर (TENGs) की एक नई शैली प्रदर्शित की है जो ऊर्जा उत्पादन को सुधारती है और निर्माण लागत को कम करती है। ट्राइबोइलेक्ट्रिफिकेशन का अर्थ स्थैतिक चार्ज द्वारा उत्पन्न बिजली को harness करना है। यह स्वच्छ और आसानी से उपलब्ध ऊर्जा स्रोत एक दिन एक अधिक हरित भविष्य को साकार कर सकता है।

जैसे-जैसे वैश्विक स्तर पर कार्बन शून्य उत्सर्जन लक्ष्य को प्राप्त करने की धक्का बढ़ रहा है, हरित ऊर्जा विकल्पों के निर्माण पर बहुत ध्यान दिया जा रहा है। विशेष रूप से, सौर, पवन और भू-तापीय ऊर्जा उत्पादन में नवाचार प्रमुख समाचार बनते हैं, जबकि ट्राइबोइलेक्ट्रिफिकेशन जैसी अन्य विधियाँ धीरे-धीरे लोकप्रिय हो रही हैं। यह तकनीक एक दिन उन्नत पहनने योग्य उपकरण, नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन और सुरक्षित संचालन के द्वार खोल सकती है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर (TENGs)

TENGs उन स्थैतिक चार्ज का उपयोग करते हैं जो सामग्री को एक‑दूसरे पर रगड़ने से उत्पन्न होते हैं। जब कुछ विशेष सामग्री सतहें अन्य सामग्री के साथ संपर्क में आती हैं, तो चार्ज उत्पन्न होता है। इस स्थैतिक चार्ज को बढ़ाया जा सकता है, जिससे विश्वसनीय विद्युत उत्पादन संभव हो जाता है।

विशेष रूप से, वर्तमान TENGs छोटे प्लास्टिक‑समान बीड्स पर निर्भर करते हैं। ये निकट‑पैक्ड बीड्स विभिन्न चार्ज रखते हैं, कुछ नकारात्मक और कुछ सकारात्मक। जब इन्हें एक‑दूसरे पर रगड़ा जाता है, तो घर्षण, चिपकन और पृथक्करण का संयोजन अतिरिक्त सतह संपर्क बनाता है, जिससे इन जनरेटरों की आउटपुट अधिकतम हो जाती है।

आज के TENGs की समस्याएँ

ऐसे कई अनुत्तरित प्रश्न और समस्याएँ हैं जिन्हें इंजीनियरों को पार करना होगा ताकि TENGs को अन्य हरित ऊर्जा समाधान के विश्वसनीय विकल्प के रूप में स्थापित किया जा सके। एक प्रमुख समस्या चार्ज डिसिपेशन को समझने की कमी और इसे नियंत्रित करने के सर्वोत्तम तरीके की अनिश्चितता है। इस ज्ञान अंतर को पाटना आवश्यक है ताकि भविष्य में TANGs के प्रदर्शन और विश्वसनीयता में सुधार हो सके।

स्रोत – Ignaas Jimidar

हाल ही तक यह माना जाता था कि ट्राइबोइलेक्ट्रिफिकेशन के लिए TENG में विभिन्न सामग्री का उपयोग आवश्यक है। उदाहरण के तौर पर, पोलिटेट्राफ्लोरोइथिलीन और पॉलीडिमेथाइलसिलॉक्सेन को विश्वसनीय विकल्प सिद्ध किया गया था। हालांकि, नवाचारी शोधकर्ताओं की एक टीम ने अपने नवीनतम उन्नत TENG डिज़ाइन के परिचय से इस मान्यता को खारिज कर दिया है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर अध्ययन

अध्ययन “Granular Interfaces in TENGs: The Role of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters“¹ ट्राइबोइलेक्ट्रिफिकेशन चार्ज प्रसार और सामग्री उपयोग की जटिलताओं को उजागर करने का प्रयास करता है।

विशेष रूप से, इंजीनियर एक नई विधि प्रस्तुत करते हैं जो निकट‑समान बीड्स का उपयोग करके संपर्क इलेक्ट्रिफिकेशन व्यवहार को समर्थन देती है। यह दृष्टिकोण निर्माण लागत को घटाता है और अधिक अनुकूलन की अनुमति देता है।

शुरुआत में, इंजीनियरों ने दो इलेक्ट्रोड्स को मोनोलेयर में कोटेड मोनोडिस्पर्स पॉलीमर बीड्स के साथ एकीकृत करके ग्रेन्युलर‑आधारित TENG बनाया। यह सॉल्वेंट‑फ्री सेटअप विकल्पों की तुलना में अधिक सुरक्षित और कुशल है क्योंकि यह हानिकारक रासायनिक उप‑उत्पादों और जोखिमों को समाप्त करता है।

सॉल्वेंट‑फ्री उत्पादन प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों ने मोनोडिस्पर्स बीड्स को एक समतल सब्सट्रेट पर जमा किया। फिर उन्होंने लेयर्स को एक‑दूसरे पर रगड़कर घर्षण उत्पन्न किया। बीड्स का आकार रोलिंग घर्षण बनाता है जो सतह तनाव को बढ़ाता है।

सही बीड्स की खोज

विशेष रूप से, टीम ने पाया कि प्रक्रिया में विभिन्न प्रकार के बीड्स का उपयोग करने से कुछ लाभ मिलते हैं। एक कारण यह है कि कुछ अनाजों के बीच इलेक्ट्रिफिकेशन आकार, आकार, तनाव, सतह चार्ज घनत्व या नमी या पर्यावरणीय कारकों से उत्पन्न सतह रफ़रेंस में अंतर के कारण सुधरता है।

इंजीनियरों ने शुरुआत से ही सीखा कि उपयोग किए गए बीड्स का प्रकार अंतिम परिणामों को प्रभावित करेगा। उनके शोध ने दिखाया कि सामग्री चयन में छोटे‑छोटे परिवर्तन ऊर्जा उत्पादन क्षमता पर बड़ा प्रभाव डालते हैं। इसलिए उन्होंने विभिन्न सामग्री, आकार और लेआउट का अध्ययन किया।

सामग्री

टीम ने प्रक्रिया के दौरान कई विभिन्न प्रकार के पॉलीमर सामग्री का परीक्षण किया। उन्होंने नोट किया कि पॉलीमर सामग्री उत्तेजनाओं के प्रति प्रतिक्रिया देती है और एक विश्वसनीय आधार प्रदान करती है। कई प्रकार के बीड्स को व्यवस्थित करने के बाद अंततः मेलामाइन‑फ़ॉर्माल्डिहाइड (MF) बीड्स को चुना गया।

MF बीड्स ने ट्राइबोइलेक्ट्रिक चार्जिंग के दौरान विशिष्ट लाभ दिखाए। एक ओर, वे बेहतर चार्ज रखरखाव प्रदान करते हैं और लो इलास्टिसिटी रखते हैं। अतिरिक्त रूप से, उनका इलास्टिक मॉड्यूलस या कोहेशन ऊर्जा सबसे अधिक है।

इसके अलावा, जब इन्हें PMMA बीड्स जैसी कुछ सामग्री के संपर्क में लाया जाता है तो ये हमेशा सकारात्मक चार्ज दिखाते हैं और उनके तुलनात्मक रूप से अधिक यंग मॉड्यूलस के कारण सबसे अधिक चार्जिंग दिखाते हैं। यंग मॉड्यूलस एक एल्गोरिद्म है जो लोड के तहत लागू होने पर कठोरता या लोचदार विकृति के प्रतिरोध को मापता है।

बीड आकार

टीम ने विभिन्न बीड आकारों के साथ भी प्रयोग किया। विशेष रूप से, इंजीनियरों ने 0.5, 3 और 10 µm के विभिन्न व्यास वाले मोनोडिस्पर्स कणों का उपयोग किया। उन्होंने नोट किया कि बड़े बीड्स नकारात्मक चार्ज रखने की अधिक संभावना रखते हैं, जबकि छोटे बीड्स सकारात्मक चार्ज बनाए रखते हैं।

मोनोलायर

एक बार जब बीड की सामग्री, आकार और अंतराल निर्धारित हो गया, तो इंजीनियरों ने सामग्री की मोनोलेयर बनाई। उनके रिपोर्ट के अनुसार, टीम फ्लुओरोकार्बन‑कोटेड सब्सट्रेट पर सॉल्वेंट‑फ्री कण रगड़ असेंबली तकनीकों का उपयोग करती है।

लेआउट

यह लेआउट पहली बार था जब वैज्ञानिकों ने निकट‑पैक्ड मोनोलेयर कॉन्फ़िगरेशन में डिस्क्रीट कणों को TENG इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग किया। यह दृष्टिकोण सबसे उच्च पैकिंग घनत्व हेक्सागोनल क्लोज‑पैक्ड (HCP) कॉन्फ़िगरेशन प्रदान करता है और अधिक सतह संपर्क देता है जबकि सतह क्षेत्र को घटाता है, जिससे उनके बीच अधिक चार्ज विनिमय संभव हो जाता है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर कैसे काम करते हैं

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर को संचालित करने के लिए रगड़ गति शुरू की जाती है। यह क्रिया मोनोडिस्पर्स पॉलीमेथिल मेथाक्रिलेट (PMMA), पॉलीस्टाइरीन (PS) और मेलामाइन रेजिन (MF) सूखे पाउडर की मोनोलेयर को रगड़ती है। यह क्रिया बीड्स और सब्सट्रेट के बीच ट्राइबोइलेक्ट्रिफिकेशन उत्पन्न करती है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर परीक्षण

इंजीनियरों ने अपने नए जनरेटर की दक्षता सिद्ध करने के लिए कई परीक्षण किए। परीक्षण प्रक्रिया का एक हिस्सा संपर्क‑विच्छेदन (CS) प्रयोगों को शामिल करता था। विशेष रूप से, उन्होंने केल्विन प्रोब फोर्स माइक्रोस्कोपी (KPFM) और एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोप (AFM) का उपयोग करके सतह चिपकन, इलेक्ट्रिफिकेशन घटना और लोचदार विकृति की निगरानी की।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर परिणाम

परीक्षण परिणामों ने इस तकनीक के लिए बहुत आशा दिखाई। विशेष रूप से, टीम ने सतह टोपोग्राफी, ज्यामिति, संपर्क आकार और समरूपता पर नियंत्रण सहित नई स्तर की अनुकूलन क्षमताएँ प्रदर्शित कीं।

उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट जोड़ी की सतह चार्ज घनत्व को छोटे बीड को सबसे अधिक यंग मॉड्यूलस के साथ इलेक्ट्रोड पर कवर करके बढ़ाया जा सकता है। टीम ने दीर्घायु को 10,000 चक्रों तक जांचा।

जनरेटर ने अपेक्षित रूप से साफ़ ऊर्जा उत्पन्न की, जिसमें प्रदर्शन में न्यूनतम गिरावट आई। इस कारण, इसे कई लोग जलवायु परिवर्तन के खिलाफ लड़ाई में सबसे अच्छे विकल्पों में से एक मानते हैं।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर लाभ

कई लाभ हैं जो ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर को एक समझदार विकल्प बनाते हैं। एक ओर, वे लागत‑प्रभावी और अधिक हरित विकल्प प्रदान करते हैं जो साइट पर बिजली उत्पन्न कर सकते हैं। TENG निर्माण की यह नवीनतम विधि लागत को और भी घटाने का वादा करती है।

दीर्घायु

नए TANG लेआउट का एक और लाभ यह है कि इसे उसकी मूल स्थिति में पुनर्स्थापित किया जा सकता है, बस सतह पर एक विशेष पाउडर रगड़कर। यह क्षमता दर्शाती है कि ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर अपने प्रतिस्पर्धियों से अधिक समय तक चल सकते हैं और पूरे उद्योग में रखरखाव लागत को कम कर सकते हैं।

निर्माण

डिज़ाइन सॉल्वेंट के बिना कम लागत और सतत TENG निर्माण का समर्थन करता है। यह दृष्टिकोण तेज़ और स्वच्छ है। अतिरिक्त रूप से, यह कम प्रदूषण उत्पन्न करता है, और अंतिम उत्पाद अनुकूलन योग्य है। इंजीनियर मोनोलेयर भी बना सकते हैं, जिन्हें नई प्रकार की वस्त्र संरचनाओं में शामिल किया जा सकता है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग और समयरेखा:

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर कई उद्योगों को उलट सकते हैं। एक ओर, स्व‑संचालित इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने की क्षमता एक गेम‑चेंजर है। यह बैटरियों जैसे पारंपरिक ऊर्जा स्रोतों पर निर्भरता को कम करता है और छोटे फॉर्म‑फैक्टर में फिट होने वाला स्वच्छ विकल्प प्रदान करता है। इंजीनियरों के अनुसार, तकनीक के परिपक्व होने पर व्यावसायिक अनुप्रयोग अगले 3‑5 वर्षों में उभर सकते हैं।​

ऊर्जा संग्रहण

इस तकनीक का एक प्रमुख उपयोग ऊर्जा संग्रहण है। इसे घरों या इलेक्ट्रॉनिक्स में एकीकृत किया जा सकता है, जिससे चार्जिंग की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। कल्पना करें कि आपके सभी इलेक्ट्रॉनिक्स बैटरियों, सॉकेट्स या बाहरी पावर स्रोतों के बिना काम कर रहे हों। यह दृष्टिकोण अपनाने को बढ़ावा दे सकता है और तकनीक के एक नए युग को usher कर सकता है।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर को अन्य हरित ऊर्जा समाधान की सतह के रूप में लागू किया जा सकता है और परिणामों को बढ़ा सकता है। उदाहरण के तौर पर, एक पवनचक्की की कल्पना करें जो ब्लेड और हवा के बीच स्थैतिक बिजली के कारण बिजली भी उत्पन्न करती है। वही तकनीक मोटर के घूमने पर ऊर्जा उत्पादन में भी मदद कर सकती है।

स्मार्ट कपड़े

इस तकनीक को स्मार्ट कपड़े बनाने के लिए उपयोग करने की बहुत चर्चा हुई है। एक कोट की कल्पना करें जो पहनते समय उत्पन्न शक्ति से स्वयं को गर्म कर सके। या अपने स्मार्टफ़ोन को जूते के चार्जिंग पोर्ट से जोड़ने की कल्पना करें। ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर का उपयोग करके यह सब और अधिक संभव है।

दैनिक कपड़ों की बात करते समय यह एक बोनस है। हालांकि, जब आप जोखिम को एक स्तर ऊपर ले जाते हैं और अन्वेषण की बात करते हैं, तो स्व‑ऊर्जावान स्मार्ट कपड़े का संभावित लाभ बहुत बड़ा है। यह आराम सुनिश्चित करने और अनावश्यक चोटों को रोकने में मदद कर सकता है। अतिरिक्त रूप से, यह यह गारंटी देने में मदद कर सकता है कि हमेशा उचित सुरक्षा उपाय मौजूद हों।

इलेक्ट्रिक वाहन

इलेक्ट्रिक वाहन इस उपकरणों के एकीकरण से प्रदर्शन में बड़ा बूस्ट प्राप्त कर सकते हैं। चूंकि ट्राइबोइलेक्ट्रिक जनरेटर साइट पर शून्य उत्सर्जन के साथ स्थैतिक बिजली द्वारा ऊर्जा उत्पन्न करते हैं, वे आज के वाहनों में पाए जाने वाले अनंत वायरिंग हार्नेस की तुलना में अधिक विश्वसनीय और कम जटिल विकल्प प्रदान करते हैं। भविष्य में, ये इकाइयाँ केंद्रीय बैटरी से शक्ति नहीं लेगीं क्योंकि उनका अपना पावर स्रोत संभवतः निर्मित होगा।

ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर शोधकर्ता

​Vrije Universiteit Brussel, Riga Technical University, Royal Melbourne Institute of Technology और University of Twente के MESA+ Institute के रसायन अभियांत्रिकी विभाग के शोधकर्ता, Dr. Ignaas Jimidar (VUB) के नेतृत्व में, ने इस अध्ययन को जीवन में लाने में अपना योगदान दिया।

अब, टीम दक्षता और निर्माण में सुधार करके बड़े‑पैमाने पर अनुप्रयोग सक्षम करने की कोशिश कर रही है। उनका लक्ष्य विभिन्न सामग्री और आकारों पर शोध जारी रखना है। इसके बाद, वे इस तकनीक को वास्तविक‑दुनिया के उत्पादों में एकीकृत करने के लिए रणनीतिक साझेदारियों का निर्माण करना चाहते हैं।

नवाचारी कंपनी जो अग्रणी है

जैसे‑जैसे स्व‑संचालित इलेक्ट्रॉनिक्स और वैकल्पिक ऊर्जा समाधान में प्रगति जारी है, वायरलेस ऊर्जा ट्रांसमिशन के अग्रणी कंपनियां भी महत्वपूर्ण प्रगति कर रही हैं। जबकि ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर सतत शक्ति उत्पादन के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं, अन्य फर्में वायरलेस चार्जिंग तकनीकों में नवाचार कर रही हैं, जिससे हम ऊर्जा को कैसे harness और वितरित करते हैं, उसकी सीमाएं आगे बढ़ रही हैं।

स्वच्छ ऊर्जा बनाने और इसे जनसामान्य तक पहुँचाने की दौड़ चल रही है। फर्में हरित और नवीकरणीय ऊर्जा समाधान में निवेश जारी रखती हैं, जो एक दिन आगे के जलवायु नुकसान को रोकने में मदद कर सकती हैं।

दैनिक जीवन में ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर की नई संभावनाओं का द्वार उज्ज्वल भविष्य के लिए खुलता है। यहाँ एक कंपनी है जो पारंपरिक ऊर्जा स्रोतों पर निर्भरता को समाप्त करने के लिए नई और रोमांचक विधियां बनाती रहती है।

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT ) ने 2012 में DvineWave Inc. के रूप में बाजार में प्रवेश किया। यह कंपनी सैन जोस, कैलिफ़ोर्निया में स्थित है, और बाजार को वायरलेस चार्जिंग समाधान और बुनियादी ढांचा प्रदान करने के लिए बनाई गई थी। आज, इसे हरित ऊर्जा क्षेत्र में प्रमुख नवप्रवर्तकों में से एक के रूप में पहचाना जाता है।

Energous Corp के कई उत्पाद हैं जिन्होंने इसे बाजार में पहचान दिलाई है। इसका WattUp वायरलेस पावर तकनीक सबसे लोकप्रिय विकल्प है, जो विश्वसनीय चार्जिंग प्रदान करता है। कंपनी वायरलेस पावर नेटवर्क तकनीक (WPNT) भी प्रदान करती है, जैसे सॉफ़्टवेयर नियंत्रण, हार्डवेयर डिज़ाइन, एंटीना और सेमीकंडक्टर चिपसेट।

विशेष रूप से, Energeous के पास वायरलेस तकनीक उद्योग में +200 पेटेंट हैं। इसके अतिरिक्त, यह पहला फर्म था जिसने दूरस्थ वायरलेस चार्जिंग के लिए FCC Part 18 प्रमाणन सुरक्षित किया। इन सभी कारकों के साथ, Energeous का सिद्ध ट्रैक रिकॉर्ड WATT को आगे शोध करने के लिए एक स्मार्ट स्टॉक बनाता है।

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ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर – फिर कभी बैटरियां न खरीदें

उन्नत स्थैतिक बिजली के माध्यम से ऊर्जा उत्पन्न करने की संभावना ने विश्लेषकों और इंजीनियरों को उत्साहित किया है। स्व‑संचालित पहनने योग्य उपकरण जैसी उच्च‑प्रदर्शन तकनीक का परिचय निश्चित रूप से दुनिया को अधिक मॉनिटरिंग और संचार क्षमताएं प्रदान करेगा। इस प्रकार, इन इंजीनियरों को उनके प्रयासों के लिए प्रशंसा मिलनी चाहिए।

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संदर्भित अध्ययन:

^{1. Jimidar, I., Umanzor, L. E., Ibáñez, J. G., Srivastava, P., Geng, Z., Ruzmetov, D., … & D’Haen, J. (2024). Granular interfaces in TENGs: The role of close‐packed polymer bead monolayers for energy harvesters. Small, 20(10), 24010155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155}