न्यूट्रिनो : पृथ्वीवरील ऊर्जेचा अदृश्य स्रोत
मानवाला आजचे आधुनिक आणि सुसह्य जीवन प्राप्त झाले ते ऊर्जेच्या शोधानेच ! दगडावर दगड घासून पेटविलेल्या पहिल्या आगीपासून ते अणुभट्टीतून मिळणाऱ्या अणुऊर्जेपर्यंत मानवाने आजवर ऊर्जा मिळविण्याचे अनेक पर्याय शोधले. मात्र सर्वात विशेष पर्याय ठरले ते खनिज तेल ! विसाव्या शतकातील खनिज तेलाच्या वापराने मानवी जीवनाला एका वेगळ्याच उंचीवर नेऊन ठेवले. परंतु तेलाचे मर्यादित साठे, त्यातून होणारे कार्बन उत्सर्जन आणि जागतिक तापमान वाढीमुळे खनिज तेलाच्या वापराचे धोके आता अधिक वाढले आहे. जीवसृष्टीलाच धोक्यात टाकणाऱ्या जागतिक हवामानबदलाच्या परिणामामुळे शास्त्रज्ञ आता शाश्वत आणि पर्यावरणपुरक ऊर्जेचा पर्याय शोधत आहे. सौर आणि पवन ऊर्जेसारख्या अपारंपरिक ऊर्जास्रोतांचा पर्याय आपल्यासमोर आता उपलब्ध आहे. मात्र त्याच्या वापराला काही मर्यादा येतात. नुकतेच न्यूट्रिनो या मुलभुत कणाला वस्तुमान असल्याचे सिद्ध झाले आहे. त्यामुळे पृथ्वीवर अहोरात्र उपलब्ध असलेल्या ‘न्यूट्रीनो’ पासून विद्यूत ऊर्जा मिळवता येईल का? याचा शोध घेण्यास जगभरात सुरुवात झाली आहे.
न्यूट्रिनोला वस्तुमान असते त्याचबरोबर एका प्रकाराच्या न्यूट्रीनोचे रूपांतर दुसऱ्या न्युट्रिनो प्रकारात होते (न्यूट्रिनो ऑसीलेशन), हा शोध लावणाऱ्या ताकाकी काजिता आणि ऑर्थर मॅकडोनाल्ड या शास्त्रज्ञांना २०१५ मध्ये नोबेल पारितोषिक प्राप्त झाले आहे. मूलभूत कण असलेला ‘न्यूट्रिनो’ जवळ जवळ प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करतो. इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो, म्यूऑन न्यूट्रिनो आणि टाऊ न्यूट्रिनो असे न्यूट्रिनोचे तीन प्रकार आहेत.
प्रत्येक न्यूट्रिनोला एक ॲन्टी न्यूट्रिनो असतो. आपल्या सुर्यमालेत आणि उर्वरित ब्रह्मांडात न्यूट्रिनोचे विविध स्रोत आहेत. आपल्या सर्वात जवळचा मोठा स्रोत म्हणजे आपला सूर्य ! जवळ जवळ पृथ्वीवर प्रत्येक सेकंदाला एक वर्गसेंटीमिटर जागेतून ७ गुणीले १० चा १० वा घात इतके प्रचंड न्यूट्रिनो पृथ्वीवर येत आहे. म्हणजे मानवासह, झाडे, प्राणी, इमारती, डोंगरदऱ्या आणि सर्वच ठिकाणाहून हे न्यूट्रीनो आरपार जात असतात. आपल्या रोजच्या व्यवहारात आपल्याला हे न्यूट्रिनोंचे अस्तित्व जाणवत नाही. कारण त्याचा कोणताही परिणाम मानवी शरीरावर होत नाही.
ब्रह्मांडातील सुपरनोव्हा, दीर्घिका आणि वैश्विक किरणांसह ताऱ्यांतून तीनही न्यूट्रिनोचे उत्सर्जन होत असते. तथापी सुर्यातून येणाऱ्या न्यूट्रिनोंच्या तुलनेत अंतराळातून येणाऱ्या या न्यूट्रीनोंचा पृथ्वीवर सातत्याने वर्षाव होत नाही. त्यामुळे पृथ्वीवर सुर्यातून उत्सर्जित होणाऱ्या न्यूट्रीनोंचा एक अदृश्य ऊर्जेचा स्रोत सातत्याने उपलब्ध असतो. मात्र सध्या तरी या अदृश्य रूपात उपलब्ध ऊर्जेला विद्यूत ऊर्जेत रूपांतरित करण्यासाठी कोणतीच पद्धत अस्तित्वात नाही. असे जरी असले तरी जगभरातील शास्त्रज्ञ यावर प्राधान्याने संशोधन करतआहे. भारतातही न्यूट्रिनोवर संशोधन करण्यात येत असून, नुकतेच तामिळनाडूमध्ये भारतीय न्यूट्रिनो वेधशाळा उभारण्याच्या प्रक्रियेला सुरवात झाली आहे.
न्यूट्रिनोचे प्रकार..
फर्मिऑन या प्रकारात मोडणाऱ्या न्यूट्रिनोवर शून्य चार्ज असून, स्पीन १/२ एवढी आहे. इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो, म्यूऑन न्यूट्रिनो आणि टाऊ न्यूट्रिनो हे न्यूट्रिनोचे हे प्रकार अनुक्रमे इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन आणि टाऊ कणांशी निगडित आहे. १९३० मध्ये वॉल्फगॅंग पाऊली यांनी प्रथम न्यूट्रिनोचे अस्तित्व असल्याचे सिद्ध केले. रेडिओॲक्टीव्ह बिटा डिके या प्रक्रियेत प्रथम हे अस्तित्व सिद्ध झाले. प्रथम रेडिओॲक्टीव्ह बिटा डिके म्हणजे काय समजून घेऊ.
आपल्याला माहीत आहे की, अणु हा केंद्रक आणि त्याभोवती फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉनचा बनलेला असतो. तसेच केंद्रक हा प्रोट्रॉन्स आणि न्यूट्रॉन्स पासून बनलेला असतो. अणुकेंद्रकातील प्रोटॉनची संख्या अणु क्रमांक म्हणून ओळखला जातो. प्रत्येक मुलद्रव्यात इलेक्ट्रॉन आणि प्रोट्रॉनची संख्या बदलत असते. प्रत्येक मुलद्रव्यातील ही संख्या स्थिर राहते ती न्यूक्लीअर स्टेबॅलिटीच्या सिद्धांतानूसार. जेंव्हा न्यूट्रॉन किंवा प्रोट्रॉनची संख्या न्यूक्लिअर स्टेबॅलिटीसाठी आवश्यक संख्ये पेक्षा जास्त किंवा कमी असते होते. तेंव्हा त्या अणुचा केंद्रक अस्थिर होतो. तेंव्हा त्याला रेडिओॲक्टीव केंद्रक असे म्हटले आहे.
अस्थिर केंद्रकामझ्ये न्यूट्रॉन जेंव्हा प्रोट्रॉनमध्ये रूपांतरित होत असतात तेंव्हा त्यातून निगेटिव्ह बिटा पार्टीकल सोबत ॲन्टी न्यूट्रीनो आणि ऊर्जेचे ऊत्सर्जन होते. अशाच प्रकारे जेंव्हा प्रोट्रॉनचे न्यूट्रॉनमध्ये रूपांतरण होते तेंव्हा पॉझीटीव्ह बिटा पार्टीकल अर्थात पॉझिट्रॉन, इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो आणि ऊर्जेचे उत्सर्जन होते.
न्यूट्रिनोचे स्रोत
सूर्यातून प्रत्येक सेकंदाला मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा बाहेर पडते. सूर्याच्या गर्भामध्ये न्यूक्लिअर फ्यूजन’ या अभिक्रियेतून ही ऊर्जा बाहेर पडते. म्हणजे सर्वाधीक दाब आणि तापमानामुळे हायड्रोजनचे दोन अणूकेंद्रके एकत्र येत ड्यूटेरिअम अणूकेंद्रक, पॉझीट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन न्यूट्रीनो तयार करतात. पुढे ड्यूटेरियम अणूकेंद्रक पुढल्या हायड्रोजनच्या केंद्रकासोबत एकत्र येते आणि हेलीयम - ३ अणूकेंद्रक तयार होतो. हेलीयम-३ अणुकेंद्रकाच्या फ्युजन मधून हेलीयम- ४ तयार होतो. अशा अनेक फ्यूजन अभिक्रिया सुर्यामध्ये होतात आणि मोठ्या प्रमाणावर इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो बाहेर पडतात. सुर्यातून बाहेर पडणाऱ्या ऊर्जेपैकी तीन टक्के ऊर्जा ही न्यूट्रीनोच्या स्वरुपात असते. सूर्यापासून पृथ्वीवर येणाऱ्या न्यूट्रिनोंमध्ये ४०० किलो इलेक्र्टॉन व्होल्ट ते १८ मेगाइलेक्ट्रॉन व्होल्ट इतकी ऊर्जा असते. यातील काही ७ x १० चा १० वा घात प्रती वर्ग सेंटीमिटर सेकंद एवढे न्यूट्रिनो पृथ्वीपर्यंत पोहचतात. केवळ आपल्या शरिरातूनच नाही तर पृथ्वीच्या दोन्ही ध्रुवांतून हे न्यूट्रीनो आरपार जात-येत असतात.
अणुभट्टी न्यूट्रिनोची निर्मिती करणारा पृथ्वीवरील स्रोत म्हणजे अणुभट्ट्या! आण्विक फिशन अभिक्रियेतून येथे ऊर्जा मिळवली जाते. युरेनियम २३५च्या अणूकेंद्रकाचे दोन भाग होत ज्याला फिशन फ्रॅगमेंट म्हणून ओळखले जाते. फिशन फ्रॅगमेंट डीके मधून निगेटीव्ह बिटा पार्टीकल आणि ॲन्टीन्यूट्रिनोचे उत्सर्जन होते. अणुभट्टीच्या जवळील इमारती, झाडे, घरे, माणसे अगदी जमिनीतूनही हे इलेक्ट्रॉन एन्टी न्यूट्रिनो आरपार जातात. अणुभट्टीतील अभिक्रियेतून आपल्याला ॲन्टीन्यूट्रिनो मिळतात आणि त्यांची ऊर्जा ही २ ते ८ मेगा इलेक्ट्रॉन व्होल्ट इतकी असते.
वैश्विक किरणे आणि सुपरनोव्हा कॉस्मिक रेज अर्थात वैश्विक किरणे आणि ब्रह्मांडात घडणारा शक्तीशाली स्फोट अर्थात सुपरनोव्हा मधूनही आपल्याला तीन्ही प्रकारचे न्यूट्रिनो आणि ॲन्टी न्यूट्रिनो मिळतात. या न्यूट्रीनोचीऊर्जा काही मेगावॉट ते १० चा ९ वा घात इतकी असते. परंतू या न्यूट्रिनोंचा सातत्याने पृथ्वीवर वर्षाव होत नाही.
न्यूट्रिनोचे उपयोग
अणुभट्ट्यांच्या कार्यान्वयनासाठी विशिष्ट प्रकारच्या युरेनियमचा अणुभट्ट्यांमध्ये इंधन म्हणून युरेनियम २३८ आणि २३५ चा वापर होतो. जेव्हा अण्विक इंधन वापरात येते तेंव्हा युरेनियम २३८ मोठ्या प्रमाणावर प्ल्यूटोनियम २३९ तयार करते. हे प्ल्यूटोनियम अणुबॉम्ब मध्ये विस्फोटक म्हणून वापरले जाते. त्यामुळे ‘इंटरनॅशनल ॲटॉमिक एनर्जी एजन्सी’ (आयएईए) जगभरातील अणुभट्ट्यांवर लक्ष ठेवून असते. प्ल्यूटोनियमच्या अवैध उत्पादनाला आणि वापराला प्रतिबंध घालण्याचे काम ही संस्था करते. अणुभट्टीतून तयार होणारी ऊर्जा ही इलेक्ट्रॉन एन्टीन्यूट्रीनोपासून तयार झालेल्या फ्लक्सशी निगडीत असते. त्यामुळे याद्वारे प्ल्यूटोनीयमच्या निर्मितीवर लक्ष ठेवता येईल. त्यामुळे आयएईएच्या वतीने जगभरातील शास्त्रज्ञांना हे तंत्रज्ञान विकसित करण्यासाठी प्रेरित करण्यात येत आहे.
जागतिक संदेशवहनाचा वेग वाढेल भविष्यात न्यूट्रिनोचा वापर संदेशवहनासाठी करणे शक्य आहे का यावर शास्त्रज्ञ संशोधन कतरत आहे. पृथ्वीवर सध्या उपलब्ध असलेल्या संदेशवहन प्राणालीपेक्षा स्वस्त आणि वेगवान पर्याय उपलब्ध होईल अशी अपेक्षा आहे.
विद्यूत निर्मितीसाठी सूर्यापासून उत्सर्जित होणारे इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो रात्रंदिवस पृथ्वीवर येत असतात. सरासरी ०.४२ मेगा इलेक्ट्रॉन व्होल्ट ऊर्जा त्यांमध्ये असते. भविष्यात जर आपण या न्यूट्रिनो एनर्जीचे १०० टक्के वापर करू शकलो तर एक वर्ग मिटर जागेत ४४ वॉट सेकंद एवढी विद्यूत ऊर्जा आपल्याला मिळेल. मात्र शास्त्रज्ञांपुढे या ऊर्जेचे रूपांतर करण्याचे मोठे आव्हान आहे. नुकतेच जर्मनीतील एका गटाने न्यूट्रिनो व्होल्टाईक सेल विकसित केल्याचा दावा केला आहे.
(लेखक हे सावित्रीबाई फुले पुणे विद्यापीठाच्या भौतिकशास्त्र विभागात विशेष प्राध्यापक असून, गेली कित्येक वर्ष ते अणुशास्त्रासंबंधी संशोधन करतात.)
ब्रेक घ्या, डोकं चालवा, कोडे सोडवा!
Read latest Marathi news, Watch Live Streaming on Esakal and Maharashtra News. Breaking news from India, Pune, Mumbai. Get the Politics, Entertainment, Sports, Lifestyle, Jobs, and Education updates. And Live taja batmya on Esakal Mobile App. Download the Esakal Marathi news Channel app for Android and IOS.