सौरऊर्जेच्या संशोधनातील नवे ‘पान’

के. सी. मोहिते(विज्ञानाचे प्राध्यापक)
गुरुवार, 13 एप्रिल 2017

सौरऊर्जेच्या साठवणीसंबंधी येणाऱ्या समस्यांची उकल करण्याचा प्रयत्न सुरू आहे. ‘नेचा’ या पानाच्या संरचनेचा उपयोग करून विकसित केलेले इलेक्ट्रोड आणि सुपर कपॅसिटर हे त्यातील लक्षणीय संशोधन.

सौरऊर्जेच्या साठवणीसंबंधी येणाऱ्या समस्यांची उकल करण्याचा प्रयत्न सुरू आहे. ‘नेचा’ या पानाच्या संरचनेचा उपयोग करून विकसित केलेले इलेक्ट्रोड आणि सुपर कपॅसिटर हे त्यातील लक्षणीय संशोधन.

गेल्या पाच-सहा दशकांपासून ऊर्जेचा प्रश्‍न सर्व जगाला भेडसावत आहे. ज्या देशांनी सुरवातीलाच याची गंभीर दखल घेऊन ऊर्जा निर्माण, व्यवस्थापन व नियोजन केले ते सर्व देश आज प्रगत राष्ट्र म्हणून संबोधले जातात. भारतात ऊर्जेचे नियोजन व्यवस्थित न झाल्याने आजही ग्रामीण भागात आपण वीज पोहोचवू शकलो नाही. भारतात उपलब्ध असणारे मर्यादित साठे आणि वाढती मागणी यामुळे भारताला नैसर्गिक वायू व तेल इतर देशांकडून आयात करावे लागत आहे.

पारंपरिक ऊर्जास्रोतांची मर्यादा व वाढत असलेली मागणी लक्षात घेता पर्यायी ऊर्जा शोधणे अत्यंत आवश्‍यक आहे. याबाबतीत विविध ऊर्जा स्रोतांवर संशोधन होत आहे. सौरऊर्जा ही एक महत्त्वाची पर्यायी ऊर्जा आहे. तथापि सौरऊर्जेच्या वापराबाबत अजूनही काही समस्या आहेत. त्यामध्ये प्रामुख्याने सौरऊर्जा प्रकल्प विकसित करण्यासाठी लागणारा खर्च आणि सौरऊर्जेचे रूपांतर विद्युत किंवा उष्णता ऊर्जेत केल्यानंतर त्याची साठवणूक करण्यासंबंधीच्या अडचणी यामुळे सौरऊर्जेचा वापर तुलनेने कमी होत आहे. सौरऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर करण्यासाठी ‘सोलर सेल’ची कार्यक्षमता वाढविणे व रूपांतरित ऊर्जेची साठवण करणे यासंबंधी मोठ्या प्रमाणात संशोधन चालू आहे. कॅडमीअल सल्फाइड, सिलिकॉन, कॅडमीअम टेलेरॉईड इ. पदार्थांचा पातळ पापुद्रा (थिन फिल्म); तसेच अतिसूक्ष्म कॉटम डॉट, त्रिमितीय (थ्री डायमेन्शन) सोलार सेल यांची प्रायोगिक तत्त्वावरील कार्यक्षमता ही ५० टक्क्यांपेक्षा अधिक असल्याचे आढळून आले आहे.

बाजारामध्ये असे ‘सोलार सेल’ मोठ्या प्रमाणात मिळू लागले, तर भारताचा ऊर्जा प्रश्‍न बऱ्याच अंशी मार्गी लागेल. विद्युत ऊर्जेची साठवण या प्रश्‍नावर मात्र अजूनही म्हणावे असे उत्तर संशोधकांना मिळालेले नाही. विद्युत ऊर्जेच्या साठवणुकीसाठी सध्या मोठ्या बॅटरी वापरल्या जातात; परंतु त्या वजनाने व आकाराने मोठ्या असतात. तसेच त्याची किंमतही अधिक असल्यामुळे सर्वसामान्यांना सौरऊर्जा वापरापासून वंचित राहावे लागत आहे. विशेषतः दुर्गम भागामध्ये विद्युत ऊर्जा ग्रीडला देता येत नाही. त्यामुळे बॅटरी वापरून साठविण्याशिवाय काही पर्याय नसतो.

या समस्येवर मार्ग निघावा, यासाठी मेलबोर्न येथील आरएमआयटी विद्यापीठाच्या संशोधकांनी चक्क निसर्गात उपलब्ध असणाऱ्या ‘नेचा’ या झाडाच्या पानातील संरचनेचा उपयोग केला आहे. तलवारीसारख्या दिसणाऱ्या नेचाच्या पानामध्ये अनेक सूक्ष्म अशा शिरा असतात. या पानांचा उपयोग जास्तीत जास्त सौरऊर्जा शोषण करण्यासाठी; तसेच सर्व झाडाभोवती जमिनीतून पाणी पुरविण्यासाठी होतो. इतर पानांपेक्षा ‘नेचा’च्या पानामधील शिरांचे प्रमाण अधिक असल्यामुळे ही झाडे हिरवीगार दिसतात, असे संशोधकांच्या लक्षात आले. पानाच्या या गुणधर्माचा उपयोग करून आरएमआयटी या विद्यापीठातील संशोधकांनी अत्यंत पातळ, लवचिक व सौरऊर्जा शोषण करतील, तसेच प्रचंड मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा साठवतील, असे इलेक्‍ट्रोड विकसित करण्यात यश मिळविले.त्यांनी विकसित केलेले सुपर कॅपॅसिटर हे पातळ, अधिक टिकाऊ व त्वरित शक्ती पुरविणारे आहेत. याचा उपयोग विविध इलेक्‍ट्रॉनिक्‍स उपकरणामध्ये तसेच मोटारगाड्यांमध्ये होऊ शकतो. संशोधकांनी इलेक्‍ट्रोड व सुपर कॅपॅसिटर यांचे एकत्रित असे प्रोटोटाइप मॉडेल तयार करून त्यावर अनेक प्रयोग करून पाहिले. त्यामध्ये त्यांना विद्युत ऊर्जा साठविण्याची क्षमता सर्वसाधारण उपकरणांपेक्षा ३० पटीने अधिक असल्याचे दिसून आले. त्यामुळे साठविलेली विद्युत ऊर्जा सूर्यप्रकाश नसताना किंवा ढगाळ वातावरण असतानासुद्धा वापरता येऊ शकते. ‘नेचा’ या झाडाच्या पानातील फ्रक्‍ट्रलसारखी असलेली शिरांची रचना व त्याची अधिक असलेली घनता ही कल्पना वापरून हे तंत्रज्ञान विकसित केले आहे. इलेक्‍ट्रोड तयार करण्यासाठी ग्राफीन या पदार्थाचा वापर केला आहे. त्यासाठी अतिसूक्ष्म पातळ व लवचिक अणू-रेणूंचे थर बसविलेले आहेत. भविष्यामध्ये सौरऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर करणे आणि त्याची साठवण करणे, या दोन्ही क्रिया फक्त पातळ पापुद्रा (थिन फिल्म) सोलार सेल करू शकेल. म्हणजेच सोलार सेल हे विद्युत ऊर्जा निर्माण करणारे व साठविणारे असे सेल्फ पॉवरिंग असतील, असा विश्‍वास शास्त्रज्ञांना आहे.

विकसित केलेल्या ‘मायक्रोसुपर कपॅसिटर’मध्ये 
‘१ ब्युटाईल -३ मिथीमायडॅझोलियम’ या द्रवरूपी आयनचा उपयोग करण्यात आला आहे. ग्राफीन ऑक्‍साइड तयार करण्यासाठी ‘हमर’ची आधुनिक पद्धती वापरण्यात आली आहे. एक मिलिलिटर पाण्यामध्ये १.३ ग्रॅम ग्राफीन ऑक्‍साइडचे मिश्रण तयार करून काचेच्या पट्टीवर त्याचे थेंब तयार केले. वरील द्रवाचे थेंब काचेच्या पट्टीवर २४ तास ठेवल्यामुळे त्यातील पाण्याचे बाष्पीभवन झाल्याने पट्टीवर ‘ग्राफीन ऑक्‍साइड’चे सूक्ष्मकण उतरतात. ग्राफीन ऑक्‍साइडच्या सूक्ष्म कणांत सिलिकाची, नॅनोपावडर व वरील आयनिक द्रव एकत्रित करून ‘आयनोजेल’ तयार केले जाते. संगणकाच्या सहायाने CO२ लेझरचा उपयोग करून ग्राफीन ऑक्‍साइडचे इलेक्‍ट्रोड तयार केले जातात. मायक्रोकपॅसिटर लवचिक होण्यासाठी ‘पॉलिइथिलीन टेरेप्यॅलेट’चा उपयोग केलेला आहे. मायक्रोकपॅसिटरची क्षमता तपासण्यासाठी तयार केलेल्या पदार्थाला १८० अंश सेल्सिअसमध्ये वाकवणे; तसेच ९० अंश सेल्सिअसमध्ये पिळणे असे अनेक प्रयोग केले आहेत. तरीसुद्धा ‘मायक्रोकपॅसिटर’ पूर्ववत होतात, असे शास्त्रज्ञांना दिसून आले. मायक्रोकपॅसिटर चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग करून पाहिले तर दहा हजार वेळा असे केल्यानंतरही ९०% क्षमता राहते, असेही निदर्शनास आले.
(आधार:‘नेचर’ मार्च २०१७)