संशोधनाचा ‘मूल’गामी प्रवास (डॉ. संजय ढोले)

सावित्रीबाई फुले पुणे विद्यापीठातल्या भौतिकशास्त्र विभागानं आण्विक विद्युत घटांच्या निर्मितीचा अंतिम अहवाल नुकताच इस्रो सेलला सादर केला आहे. या घटांचं आयुष्य कित्येक वर्षांमध्ये असल्यानं वैद्यकीय वैद्यकीय शास्त्रात पेसमेकर, संवेदक, पाणबुडी, लष्कर आणि मायक्रो इलेक्‍ट्रॉनिक्‍समध्ये वापर करणं शक्‍य होणार आहे. याशिवाय दीर्घकालीन मोहिमांसाठी या बॅटऱ्यांचा उपयोग प्रामुख्यानं गृहित धरला आहे. भविष्यात अंतराळ संशोधन मोहिमा अधिक यशस्वी करण्यासाठी या संशोधनाचा उपयोग होणार आहे. या संशोधनावर एक झोत.

रसायनशास्त्रातला सन २०१९चा नोबेल पुरस्कार लिथियम-आयन बॅटरी विकसनाला देण्यात आला. ही बॅटरी रासायनिक अभिक्रियेवर अवलंबून असून, पेट्रोलियमसारख्या खनिज इंधनाला, वजनाला हलकी, आकारानं मध्यम; पण शक्ति‍शाली आणि पुनर्ऊर्जित करणारी आहे. मात्र, अशा विद्युत घटांचं आयुष्यमान ठराविक कालावधीपुरतंच मर्यादित असल्यानं शास्त्रज्ञ प्रदीर्घकालीन विद्युतघटांचा शोध घेण्याचा प्रयत्नात आहेत.

या पार्श्‍वभूमीवर सावित्रीबाई फुले पुणे विद्यापीठातल्या भौतिकशास्त्र विभागानं आण्विक विद्युत घटाच्या निर्मितीचा अंतिम अहवाल नुकताच इस्रो सेलला सादर केला आहे. यात मी आणि प्रा. डॉ. वसंत भोरासकर यांच्या मार्गदर्शनाखाली सहकारी प्राध्यापक डॉ. शैलेंद्र दहिवले, डॉ. भूषण पाटील आणि संशोधक विद्यार्थी अंबादास फटांगरे या चमूनं न्युक्लिअर बॅटरी अर्थात आण्विक विद्युत घटाची निर्मिती केली आहे. याशिवाय इस्रोचे माजी गटसंचालक डॉ. प्रमोद काळे यांचं मोठं सहकार्य लाभलं असून, कुलगुरू प्रा. डॉ. नितीन करमळकर आणि विभागप्रमुख डॉ. सुरेश गोसावी यांचं पाठबळ मिळालं आहे.

सौर विद्युत घटकाच्या सर्वांगीण वापरामुळंच खऱ्या अर्थानं ही संकल्पना रुजली. तिचा पाठपुरावा करता असं लक्षात आलं, की सौर विद्युत घटकांमध्ये सौरदृश्‍य प्रारणांचा प्रामुख्यानं उपयोग केला जातो आणि जिथं सौरऊर्जा नाही, तिथं ही विद्युत घटकं निकामी ठरतात. पुढं असं लक्षात आलं, की जर सौर प्रारणांच्या उपयोगाऐवजी न्युक्लिअर किंवा आण्विक किरणं म्हणजे बिटा, अल्फा मूलकणांचा मुक्‍त वापर केला, तर दीर्घकालीन विद्युतघट निर्माण करणं शक्‍य आहे. त्याचाच ध्यास घेऊन २०१५मध्ये प्रकल्प लिहिला आणि इस्रोला सादर केला. कालांतरानं इस्रोनं या प्रकल्पाला आर्थिक साह्य देऊ केलं आणि न्युक्लिअर बॅटरी विकसित करण्याचं ध्येय ठेवण्यात आलं. चार वर्षांपूर्वी या प्रवासाला सुरुवात झाली आणि तो प्रकल्प आज पूर्णत्वास आला आहे. त्याची प्रात्यक्षिकंही सादर करण्यात आली आहेत.

इतिहास विद्युत घटांचा
किरणोत्सारिता, किरणोत्सारी समस्थानिकं आणि त्यामधून निघणाऱ्या अल्फा, बिटा आणि गॅमा किरणांनी विसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात विविध घटक आणि तंत्रज्ञाननिर्मितीमध्ये मोलाचा सहभाग नोंदवला. एकविसाव्या शतकातही त्याचा वावर आणि वापर प्रामुख्यानं पदार्थ विज्ञानामध्ये होताना दिसतो आहे. मुख्यत्वे दीर्घकालीन विद्युत घटनिर्मितीचं ध्येय शास्त्रज्ञ ठेवत आहेत. सध्या विविध क्षेत्रांमध्ये रासायनिक अभिक्रिया आणि पदार्थांवर आधारित विद्युत घटांची निर्मिती होत असून, त्याचा उपयोग सर्वदूर होत आहे. मात्र, अशा रासायनिक विद्युत घटांचं आयुष्य अल्प आणि मर्यादित असून, ते पराकोटीचे महाग आहेत. यालाच पर्याय म्हणून शास्त्रज्ञ नाभिकीय विद्युत घटांच्या निर्मितीचे प्रयत्न करीत आहेत. यामध्ये प्रामुख्यानं किरणोत्सारी समस्थानिकांमधून निघणाऱ्या बिटा आणि अल्फा मूलकणांचा उपयोग शास्त्रज्ञ करत आहेत. खऱ्या अर्थानं बिटा कणांवर आधारित विद्युत घटाच्या निर्मितीचं स्वप्न शास्त्रज्ञांनी पूर्वीच, म्हणजे सन १९१३मध्ये पाहिलं होतं, मात्र सक्षम पदार्थांचा शोध न होऊ शकल्यामुळं ही संकल्पना बाजूला पडली. अलीकडंच अर्धवाहक आणि इतर अतिसूक्ष्म पदार्थांच्या निर्मितीमुळं हे शक्‍य होताना दिसत आहे. यामध्ये ग्राफीन, डायमंड, सिलिका यांसारख्या अतिसूक्ष्म पदार्थांच्या वापरामुळं बिटा आणि अल्फा विद्युत घटनिर्मितीचं ध्येय साध्य होत आहे.

विद्युत घट आणि जगभरातलं संशोधन
जगात बऱ्याच देशांमध्ये याचविषयी संशोधन सुरू आहे. अमेरिकेची अंतराळ संशोधन संस्था ‘नासा’नं एक न्युक्लिअर बॅटरी विकसित केली होती आणि तिचा उपयोग प्रामुख्यानं मंगळमोहिमेसाठी केल्याचा अहवाल उपलब्ध आहे. मात्र, ते सर्वच एका ब्लॅकबॉक्‍समध्ये असल्यानं त्याची उघड चर्चा होऊ शकली नाही. त्यामुळं ती बॅटरी नेमकी कशी बनवली, याचा उलगडा होऊ शकला नाही. अलीकडंच रशियातल्या एका संशोधन गटानं हिऱ्याचा वापर करून आणि बिटा कणांच्या साह्यानं सक्षम विद्युत घट निर्माण केल्याचा अहवाल आहे. या व्यतिरिक्‍त जगात कुणी असे घट विकसित केल्याचा अहवाल नाही, मात्र त्या दिशेनं प्रयत्न नक्कीच सुरू आहेत. याचाच धागा पकडून भौतिकशास्त्र विभागानं ही सक्षम न्युक्लिअर बॅटरी विकसित केली आहे. भारतात असा प्रयत्न प्रथमच झाल्याचं दिसतं.

सौर विद्युत घटकाला निश्चितच मर्यादा आहेत. सौर प्रारणं असलेल्या ठिकाणी हे घट कार्यक्षम आहेत, मात्र सौर प्रारणं नसलेल्या ठिकाणी हे घट कुचकामी ठरतात. आण्विक विद्युत घटाचं तसं नाही. कारण त्याचं आयुष्य हे त्यात वापरण्यात आलेल्या किरणोत्सारी समस्थानिकांच्या- ज्यातून बिटा आणि अल्फा कण उत्सर्जित होतात- आयुष्यावर अवलंबून असतं. प्रत्येक किरणोत्सारी समस्थानिकांचं आपलं एक आयुष्य असतं. त्यालाच अर्धायान (हाफ लाइफ) असं म्हणतात. या संशोधनात प्रामुख्यानं ट्रिशिअम हा शुद्ध बिटा स्रोत वापरला असून, त्याचं अर्धायान १२ वर्षं आहे आणि बिटा कणांची सरासरी ऊर्जा ५.७ केईव्ही आहे. ट्रिशियम स्रोताची शक्‍ती दहा क्‍युरी (क्‍युरी हे प्रारणं मोजण्याचं एकक आहे. १ क्‍युरी म्हणजे ३.७१०१० प्रारणं प्रतिसेकंद) एवढी असेल, तर १२ वर्षांनी त्याची उत्सर्जित शक्‍ती पाच क्‍युरी होईल आणि पुन्हा कालांतरानं पुढच्या १२ वर्षांनी २.५ क्‍युरी होईल. याचाच अर्थ, ही न्युक्लिअर बॅटरी सक्षमपणे किमान २५ ते ३० वर्षं सहजपणे वापरणं शक्‍य होईल. या अशा ट्रिशिअम बिटा स्रोताचा वापर न्युक्लिअर विद्युत घटामध्ये करण्यात आला आहे.

विद्युत घटांचे प्रकार आणि वैशिष्ट्यं
भौतिकशास्त्र विभागानं तीन पद्धतीचे विद्युतघट निर्माण केले असून, प्रत्येकाची आपली एक स्वतंत्र क्षमता आहे. प्रथम डायरेक्‍ट चार्ज कलेक्‍शन बॅटरी विकसित केली असून, त्यात स्टेनलेस स्टीलचा अर्धगोल घेऊन, त्यावर पॉलिमरचा बारीक पापुद्रा चिटकवला आहे आणि मध्यभागी ट्रिशिअम बिटा स्रोत ठेवला. त्यातून सरासरी ५.७ केइव्हीचे ऊर्जा असणारे बिटा कण सहजपणे अर्धगोलावर स्थिरावून कपॅसिटरच्या माध्यमातून विद्युत भार साठवून ठेवणं शक्‍य झालं आहे. क्षीण ऊर्जेचे बिटा कण विकरित होत असल्यानं हवेत ही बॅटरी वापरणं शक्‍य नसून, त्यासाठी निर्वात पोकळी निर्माण केली गेली आहे. त्यामुळं तिची क्षमता २०० व्होल्ट आणि ०.३ नॅनो ऍम्पिअर (६० नॅनो वॉट) विद्युतधारेपर्यंत मिळणं शक्‍य झालं आहे. ही बॅटरी अंतराळात वापरणं शक्‍य आहे. दुसऱ्या पद्धतीत बिटा विद्युतघट निर्माण केले असून, त्यात प्रामुख्यानं सिलीकॉन कार्बाइड आणि टिटॅनिअम ऑक्‍साईड यांचे नॅनो तारा आणि नॅनोट्युब निर्माण करून त्याचा दोन धातूंमध्ये जंक्‍शन म्हणून प्रभावीपणे वापर करण्यात आला. त्यामुळं बिटा कण पूर्णपणे शोषले जाऊन, विद्युतीय भारांक घनता वाढवण्यात यश आलं. यातून प्रामुख्यानं १.४७ व्होल्ट आणि ०.१ मायक्रोअँपिअर विद्युतधारा (१४७ नॅनोवॉट) निर्माण होऊ शकली. तिसऱ्या पद्धतीत बिटा कण फॉस्फरसवर आदळून हिरवा प्रकाश मिळवला आणि तो पुढं ऍमर्फस आणि गॅलिअम आर्सेनाईड सौर घटकांमध्ये उपयोग करण्यात आला. यात ५.४४ व्होल्ट आणि ०१ मायक्रोअँपिअर विद्युतधार (५.४४ मायक्रोवॉट) मिळवणं शक्‍य झालं आहे. या तिन्ही बॅटऱ्या प्रयोगशाळेत यशस्वीपणे निर्माण केल्या असून, त्यांची प्रात्यक्षिकंही दाखवण्यात आली आहेत. या प्रत्येक घटाची ऊर्जा पुढंही वाढवणं शक्‍य आहे. कारण घटाची शक्‍ती किरण स्रोताच्या विसर्जित मूलकणांच्या एकूणच संख्या आणि शक्‍तीवर अवलंबून असल्यानं ते व्यस्त प्रमाणात आहे. त्यामुळं शक्तिशाली किरण स्रोत मिळाल्यास आण्विक विद्युत घटांची शक्‍तीही वाढवणं शक्‍य आहे.

किंमत आणि उपयोग
या बॅटरीजची किंमत साधारण सात ते आठ हजार असून, त्याचा सध्या आकार ५ सेंटिमीटर स्क्वेअर आहे. आकार आणि किंमत बिटा स्रोतांवर अवलंबून असल्यानं, स्रोत उपलब्ध झाल्यास आकार आणि किमतीत सुधारणा घडवून आणणं शक्‍य आहे. या आण्विक विद्युत घटांचे आयुष्य कित्येक वर्षांमध्ये असल्यानं वैद्यकीय वैद्यकीयशास्त्रात पेसमेकर, संवेदक, पाणबुडी, लष्कर आणि मायक्रो इलेक्‍ट्रॉनिक्‍समध्ये वापर करणं शक्‍य होणार आहे. याशिवाय दीर्घकालीन मोहिमांसाठी या बॅटरींचा उपयोग प्रामुख्यानं गृहित धरला आहे. या विकसित बॅटऱ्यांची प्रात्यक्षिकंही करून दाखवलं असून, प्रयोगशाळेत डिजिटल घड्याळ, काट्यांचं घड्याळ आणि एलईडीसारखे इलेक्‍ट्रॉनिक घटक कार्यान्वित करण्यात आली आहेत.

हे संशोधन इथंच थांबलं नसून, प्रत्येक बॅटरीचं आयुष्य आणि क्षमता वाढवण्याचे प्रयत्न सुरूच राहणार आहेत. हा उत्साहवर्धक निकाल आहे. ट्रिशिअम स्रोताऐवजी निकेल-६३ हा बिटा स्रोत वापरण्याचा प्रयत्न असून, त्याचं आयुष्य १०० वर्षं आहे. कार्बन-१४ चं आयुष्य १६७० वर्षं आहे. अशा बिटा स्रोतांचा वापर भविष्यात विद्युत घटकांमध्ये केल्यास किमान १०० ते २०० वर्षं सलग आणि स्थिर ऊर्जा हे विद्युतघटक पुरवू शकतील, यात शंका नाही. या ध्येयपूर्तीसाठी भौतिकशास्त्र विभागातले शास्त्रज्ञ आणि संशोधक कटिबद्ध आहेत.