विज्ञानवाटा : कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषणाचा ‘जीवनस्रोत’

निसर्गाच्या प्रकाशसंश्लेषणाच्या प्रक्रियेतील अत्यावश्यक बाबींची नक्कल करून अवकाशात या तंत्रज्ञानाचा वापर करण्यास व सक्षम होण्यासाठी अनेक वर्ष गहन संशोधनाची गरज आहे. ते यशस्वी झाले तर आपल्याला मोठे फायदे मिळू शकतील.

या विश्वामध्ये सध्या तरी पृथ्वी हा एकमेव ग्रह आहे की त्यावर जीवसृष्टी आहे. आणि त्यावरील जीवसृष्टी अस्तित्वात राहण्यासाठी ऑक्सिजन कारणीभूत असल्याचे लक्षात आले आहे. पृथ्वीसारखा वातावरण असणारा ग्रह अद्यापतरी शास्त्रज्ञांना सापडलेला नाही. तत्सम जीवसृष्टी दूरच राहिली; पण त्याची निर्मिती करणारा मूळ घटकही दूरवर कित्येक प्रकाशवर्षे दूर असणाऱ्या ग्रहांवर सापडलेला नाही. पण हे विश्व इतके अफाट आहे की कुठेतरी जीवसृष्टी अस्तित्वात असू शकते आणि त्याचा मुळाधार हायड्रोजन, सिलिकॉन आणि ऑक्सिजन हे असू शकतील, असा शास्त्रज्ञांचा कयास आहे.

कुठल्याही ग्रहावर जीवसृष्टी जगवायची असेल तर ऑक्सिजन प्राणवायूची गरज भासते... आणि तोच मानवसृष्टीचा मूलाधार आहे. पृथ्वीवर या प्राणवायूची निर्मिती मुख्यत्वे प्रकाशसंश्लेषणाच्या माध्यमातून होत असते आणि कार्बनडायऑक्साइड आणि ऑक्सिजन यांची सप्रमाण निर्मिती होत असते. तसे पाहता सूर्य ही जीवनदायी आहे. त्याच्याच साहाय्याने वनस्पतींमध्ये प्रकाशसंश्लेषणाची प्रक्रिया सूक्ष्म पातळीवर घडते आणि अब्जावधी वर्ष ती सातत्याने चालू आहे.

जर का सूर्य नसला तर ही प्रकाशसंश्लेषणाची क्रिया खंडित होईल, प्राणवायूची निर्मिती थंडावेल आणि जीवसृष्टीही धोक्यात येईल. असे म्हटले जाते की सूर्याचा कधीकाळी अंत आहे. असे असेल तर जीवसृष्टीचाही अंत होऊ शकेल. म्हणूनच शास्त्रज्ञ मानवसृष्टी टिकवण्यासाठी विश्वात तत्सम ग्रहांचा शोध घेत आहेत. जेणेकरून मानवाला स्थलांतरित करून जीवसृष्टी टिकवता येईल. पण मानवाला जगण्यासाठी ऑक्सिजनची गरज आहे. याची निर्मिती नैसर्गिकरित्या प्रकाशसंश्लेषणातून होत असली तरी, इतर ग्रहांवर तत्सम कृत्रिम प्रक्रिया घडवता येऊ शकते का, याचा शोध शास्त्रज्ञ खूप वर्षापासून घेत आहेत. यालाच कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण म्हणतात. याचा उपयोग करून मानवसृष्टीचे स्थलांतर करणे शक्य होईल.

पृथ्वीवरील जीवसृष्टीचे अस्तित्व मुख्यत्वे प्रकाशसंश्लेषणामुळे आहे. ही प्रक्रिया २.३ अब्ज वर्ष जुनी आहे. तशी ही प्रक्रिया शास्त्रज्ञांना पूर्णपणे समजलेली नाही. ही अभिक्रिया मुख्यत्वे वनस्पती व इतर सजीवांना सूर्यप्रकाश, पाणी व कार्बन डाय-ऑक्साइड काढण्यास सक्षम करीत असून, साखरेच्या रूपात ऑक्सिजन आणि ऊर्जेमधे रूपांतर करते. प्रकाश संश्लेषण हे पृथ्वीच्या कार्यप्रणालीचा अविभाज्य भाग आहे.

वारविक विद्यापीठातील प्राध्यापिका कॅथरीना ब्रिंकेट आणि सहकाऱ्यांनी नुकताच या प्रक्रियेवरील शोध ‘नेचर कम्युनिकेशन’मध्ये प्रकाशित केला आहे ज्यामध्ये कृत्रिम प्रकाश संश्लेषणाचा उपयोग पृथ्वीपासून दूर असणाऱ्या ग्रहावर मानवसृष्टी जगवण्यासाठी कसा होऊ शकतो, यावर प्रकाश टाकला आहे.

पर्यायी प्रणालींचा शोध

ऑक्सिजनची बाब अंतराळ प्रवासात अवघड बनते. इंधनाच्या मर्यादांमुळे आपण आपल्यासोबत वाहून नेऊ शकणाऱ्या ऑक्सिजनचे प्रमाण मर्यादित करतो. विशेषतः चंद्र किंवा मंगळावर लांब पल्ल्याचा प्रवास करायचा असेल तर ही अवघड बाब होते. साधारण मंगळावर प्रवास करायचा असेल तर दोन वर्षांचा कालावधी लागतो आणि त्यासाठी पृथ्वीवरून ऑक्सिजनचा पुरवठा करणे सोपे नाही.

सध्याच्या घडीला ‘इंटरनॅशनल स्पेस सेंटर’वर कार्बन डाय-ऑक्साइडचा पुनर्वापर करून ऑक्सिजन निर्माण करण्याचे मार्ग आधीच उपलब्ध आहेत. या अशा स्टेशनवर ऑक्सिजन बहुतांशी इलेक्ट्रोलिसिससारख्या प्रक्रियेतून तयार केला जातो. यामध्ये स्टेशनच्या सौरपॅनलमधून तयार झालेल्या विजेचा वापर खुबीने करून पाण्याचे हायड्रोजन व ऑक्सिजन वायूत विभाजन केले जाते. अनुषंगाने अंतराळवीरांचा ऑक्सिजन व श्वसनक्रियेचा प्रश्न सुटतो.

परंतु हे तंत्रज्ञान अकार्यक्षम व अवजड असून, देखभाल करण्यासाठी कठीण असते. महत्त्वाचे म्हणजे ऑक्सिजन निर्मितीप्रक्रियेसाठी उदाहरणार्थ पर्यावरण नियंत्रण व जीवनाधाराला मदत करण्यासाठी संपूर्ण ‘इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशन’ची प्रणाली चालविण्यासाठी एकूण ऊर्जेपैकी सुमारे एक तृतीयांश ऊर्जा आवश्यक असते. त्यामुळे चंद्र किंवा मंगळाच्या मोहिमेवर वापरल्या जाऊ शकतील, अशा पर्यायी प्रणालींचा शोध चालू आहे.

एक शक्यता सौर ऊर्जेची आहे, की ज्याचे प्रमाण मुबलक आहे. ऑक्सिजन उत्पादनासाठी आणि कार्बन डाय-ऑक्साइड पुनर्वापरासाठी एकाच उपकरणात किंवा घटकात ती वापरणे शक्य आहे. अशा यंत्रणेमध्येही निसर्गात सुरू असलेल्या प्रकाशसंश्लेषणाप्रमाणे पाण्याचा उपयोग सुरुवात म्हणून करता येऊ शकेल. या अशा जटिल अवस्थेमध्ये अडथळा निर्माण होऊन दोन प्रक्रिया म्हणजेच प्रकाशाचा लाभ व रासायनिक उत्पादन हे वेगळे केले जाते. ‘इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशन’वर अशी प्रक्रिया होत असते.

उपकरणांचा आकार व वजन कमी होऊन कार्यक्षमतादेखील वाढते. रासायनिक प्रक्रियांना उत्प्रेरक किंवा प्रज्वलित करण्यासाठी थेट सौर ऊर्जा शोषली जाऊन प्रक्रिये दरम्यान बाहेर पडलेली औष्णिक ऊर्जा आपण वापरू शकतो. ज्यामुळे त्याचा वेगही वाढतो. शिवाय जटिल तारांची जाळी आणि देखभाल लक्षणीयरीत्या कमी होऊ शकते. म्हणूनच चंद्र व मंगळ मोहिमेच्या वापरात येणाऱ्या अशा कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण उपकरणांच्या कार्याचे विश्लेषण व अंदाज एका चौकटीत होत असतो.

या अशा कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण यंत्रामधे क्लोरोफिलऐवजी (जे वनस्पती व आलगायमध्ये प्रकाशशोषणाला कारणीभूत असते) अर्धवाहक पदार्थांचा उपयोग केला जातो. कुठल्याही साध्या धातू उत्प्रेरकाच्या आधाराने लेप लावून इच्छित रासायनिक प्रक्रिया घडवून आणली जाते. याशिवाय सध्या मॅंगनीज, डायसेंसिटाइझड टिटॅनियम ऑक्साईड व कोबॉल्ट ऑक्साईडचा उत्प्रेरक म्हणून सक्षमपणे वापर करण्याचा प्रयत्न होतो आहे.

ब्रिंकेट यांनी म्हटले आहे की, त्यांनी शोधलेले उपकरण हे निश्चित इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशनवर जी उपकरणे ऑक्सिजन निर्मिती करतात त्याला पूरक ठरेल. त्यापलीकडे इतर दृष्टिकोनही आहेत. उदाहरणार्थ आपण चंद्राच्या मातीतून थेट ऑक्सिजन तयार करू शकतो. परंतु हे काम करण्यासाठी उच्च तापमानाची आवश्यकता असते. दुसरीकडे मात्र कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण उपकरणे मंगळ व चंद्रावर आढळणाऱ्या दाबांवर व खोलीच्या तापमानावर कार्य करू शकतात हे विशेष.

याचा अर्थ असे उपकरण थेट निवासस्थानामध्ये वापरले जाऊ शकते आणि मुख्य स्रोत म्हणून पाण्याचा वापर केला जातो. मंगळावरील वातावरण जवळजवळ ९६ टक्के कार्बन डाय-ऑक्साइडने बनलेले आहे. कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण यंत्रासाठी हे निश्चितच आदर्शवत म्हणायला हवे. परंतु लाल ग्रहावरील प्रकाशाची तीव्रता पृथ्वीच्या तुलनेत कमकुवत आहे. ही समस्या निर्माण होईल का? पण शास्त्रज्ञांनी आता मंगळावर उपलब्ध असलेल्या सूर्यप्रकाशाच्या तीव्रतेची गणना केली आहे. अशाही परिस्थितीत कृत्रिम प्रकाश संश्लेषणयंत्रे कार्यक्षमतेने वापर होऊ शकतो, असे शास्त्रज्ञांना वाटते.

ऑक्सिजन आणि इतर रसायनांचे कार्यक्षम आणि विश्वासार्ह उत्पादन तसेच कार्बन-डाय-ऑक्साइडचे अवकाशयानावर व निवासस्थानामधे पुनर्वापर करणे हे एक मोठे आव्हान असून, त्याची आज आपल्याला अत्यंत गरज आहे. त्यामुळे निसर्गाच्या प्रकाशसंश्लेषणाच्या प्रक्रियेतील अत्यावश्यक बाबींची नक्कल करून अवकाशात या तंत्रज्ञानाचा वापर करण्यास व सक्षम होण्यासाठी अनेक वर्ष गहन संशोधनाची गरज आहे.ते आपल्याला निश्चितच काही फायदे मिळू शकतील. अवकाशाचा शोध आणि ऊर्जेची भविष्यातील अर्थव्यवस्था हे दोघेही सारखेच आज मोलाचे प्रश्न आहेत. कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण हा भविष्यात जीवनस्रोतासाठी एक मोठा पर्याय ठरू शकतो आणि मानवी जीवनाचा एक महत्त्वाचा भागही बनू शकतो, एवढे मात्र निश्चित.

(लेखक भौतिकशास्त्राचे वरिष्ठ प्राध्यापक आहेत.)