આગ ઓકતી ગરમીમાંથી ઊર્જાનો સંગ્રહ કરવાનો નવો રસ્તો શોધવાની પ્રેરણા કેવી રીતે મળી?

કૅલિફોર્નિયાના આકરા તાપને કારણે ગ્રેસ હાન ઊર્જા સંગ્રહ ક્ષેત્રે સંશોધન કરવા પ્રેરાયાં.

બૉસ્ટનમાં ક્યારેક-ક્યારેક સૂરજ દેખાય છે - પણ આવી રીતે નહીં.

જ્યારે રસાયણશાસ્ત્રનાં પ્રોફેસર ગ્રેસ હાને થોડાં વર્ષો પહેલાં પ્રથમ વખત બૉસ્ટનથી દક્ષિણ કૅલિફોર્નિયાની મુલાકાત લીધી, ત્યારે તેમને આ તફાવત જણાયો. માત્ર થોડા જ કલાકો બહાર રહેવાથી તેમની ત્વચામાં બળતરા થવા માંડી હતી.

ગયા વર્ષે સાન્ટા બાર્બરાની યુનિવર્સિટી ઑફ કૅલિફોર્નિયામાં નોકરી મેળવીને તેઓ ત્યાં સ્થળાંતર કરી ગયાં અને નિયમિતપણે મોટી ટોપી, સનગ્લાસ તથા વધુ પ્રમાણમાં સન ક્રીમ વાપરવા માંડ્યાં. રસાયણશાસ્ત્રનાં પ્રોફેસર હોવાથી તેમણે આ અંગે તેમનું સંશોધન કરી લીધું હતું.

તેઓ યાદ કરે છે, "હું બસ નવરાશના સમયમાં ડીએનએ ફોટોકેમિસ્ટ્રી વિશે વાંચી રહી હતી."

ત્યારે જ તેમના ધ્યાનમાં આવ્યું કે, સનબર્ન (તડકાને લીધે ત્વચા દાઝવા)ને કારણે નુકસાન પામતી લોકોની ત્વચાનાં ડીએનએ અણુઓ તેમની મદદે આવી શકે છે. તે અણુઓ સૂર્યનાં કિરણોના સંપર્કમાં આવતાં પોતાનો આકાર બદલી નાખે છે અને સામાન્ય સ્વરૂપમાંથી ખેંચાયેલા સ્વરૂપમાં બદલાઈ જાય છે.

દાયકાઓથી વિજ્ઞાનીઓ એવા અણુઓની શોધ કરી રહ્યા છે, જે પોતાનો આકાર બદલી શકે, આ પ્રક્રિયામાં ઊર્જાનો સંગ્રહ કરી શકે અને જરૂર પડ્યે પોતાના મૂળ આકારમાં પરત ફરી શકે, જેથી સંગ્રહ કરેલી ઊર્જા મુક્ત થઈ શકે.

આ પદ્ધતિ મોલેક્યુલર સોલર થર્મલ (MOST) ઊર્જા સંગ્રહ તરીકે ઓળખાય છે અને સંભવતઃ તે ઊર્જાના પુરવઠાની ઘણી સસ્તી તથા ઉત્સર્જન-મુક્ત પ્રક્રિયા છે. આ MOST પદ્ધતિ ઘણાં મહિનાઓ કે પછી વર્ષો સુધી પણ ઊર્જાનો સંગ્રહ કરી શકે છે.

આ ટૅક્નૉલૉજી સાથે શરૂઆતમાં સંશોધકોને મર્યાદિત સફળતા મળી હતી, પણ કૅલિફોર્નિયાની ગરમીને કારણે હાન જાણતાં હતાં કે, હવે આગળ કયો પ્રયાસ કરવો.

'એ ક્ષણ સાચે જ અદ્ભુત હતી'

ઊર્જા સંગ્રહતા અણુઓના આકાર રૂપાંતરણની પ્રક્રિયા સુચારુ રહે અને પુનરાવર્તન પામે, તે રીતે સક્રિય કરવી જરૂરી છે.

સદ્ભાગ્યે, લાખો વર્ષોના વિકાસને પગલે કેટલીક વનસ્પતિ તથા પ્રાણીઓમાં થતી આ પ્રક્રિયા પરફેક્ટ બની ગઈ છે.

એક રીતે જોતાં, તમામ સજીવો રસાયણશાસ્ત્રની પ્રયોગશાળાઓ છે અને કેટલાક સજીવો એ રીતે વિકાસ પામ્યાં છે કે, જેથી તેઓ સૂર્યપ્રકાશને કારણે ક્ષતિગ્રસ્ત થઈ ગયેલા અણુઓને ફોટોલાઇઝ નામના ઍન્ઝાઇમની મદદથી ફરી સાજા કરી શકે.

હાનને સમજાયું કે, આવા અણુ ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલી માટે એકદમ યોગ્ય હતા. તેઓ સમજાવે છે, "તે ઘણાં જ નાના હોય છે. અને તેમના વજનના સાપેક્ષમાં અઢળક પ્રમાણમાં ઊર્જાનો સંગ્રહ કરી શકે છે."

ગયા ફેબ્રુઆરીમાં પ્રકાશિત થયેલા એક સંશોધન પત્રમાં તેમણે તથા તેમના સહકર્મીઓએ એટ લિસ્ટ ઊર્જા ઘનતાની દૃષ્ટિએ અત્યાર સુધીની સૌથી આશાસ્પદ ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલીનું વર્ણન કર્યું હતું. હાનના જણાવ્યા પ્રમાણે, તે પ્રણાલી એક શીશીમાં રાખેલી "સાવ નાની કિટલી"માં રાખેલા થોડા પાણીને ઝડપથી ઉકાળવા માટે સક્ષમ હતી.

અભ્યાસનો તે ભાગ હાથ ધરનારાં તેમનાં વિદ્યાર્થીઓ પ્રયોગનું પરિણામ જણાવવા તરત તેમની પાસે દોડી આવ્યાં હતાં. હાન યાદ કરે છે, "જ્યારે મેં તે વીડિયો જોયો અને પ્રવાહી કેટલી ઝડપથી ઉકળવા માંડ્યું તે જોયું, તે ક્ષણ સાચે જ અદ્ભૂત હતી."

તેઓ ભારપૂર્વક કહે છે કે, યુનિવર્સિટી ઑફ કૅલિફોર્નિયા, લૉસ-ઍન્જેલસ ખાતે તેમના સહયોગી કૅન્ડલ હાઉક અને તેમની ટીમે અણુ કેવું કામ કરશે, તેની આગાહી કરતું કોમ્પ્યુટર વિશ્લેષણ કર્યું, તે આ કામગીરી માટે ઘણું મહત્ત્વપૂર્ણ રહ્યું હતું.

સ્પેનની પોલિટૅકનિક યુનિવર્સિટી ઓફ બાર્સેલોના તથા અન્ય સંસ્થાઓ ખાતે રિસર્ચ ટીમોનું નેતૃત્વ કરનારા સાથી પ્રયોગકર્તા કાસ્પર મોથ-પૌલ્સન અભ્યાસ સાથે સંકળાયેલા નહોતા, પણ તેનાં પરિણામોથી તેઓ જરૂર પ્રભાવિત થયા હતા.

અત્યંત મુશ્કેલ કાર્ય

હાન અને તેમનાં સહકર્મીઓએ જે ઊર્જા ઘનતા હાંસલ કરી છે, તેના સંદર્ભમાં તેમણે કહ્યું હતું, "મને લાગે છે કે, અમારી શ્રેષ્ઠ સિસ્ટમ એક મેગાજૂલ (પ્રતિ કિલોગ્રામ ઊર્જા) ધરાવતી હતી. મને લાગે છે કે, તેમની પાસે 1.6 હતી, જે સાચે અદ્ભૂત છે."

ફેબ્રુઆરીના સંશોધન પત્રમાં નોંધવામાં આવેલું 1.65 મેગાજૂલ પ્રતિ કિલોગ્રામ લિથિયમ-આયન બૅટરીની ઊર્જા ઘનતા કરતાં ઘણું જ વધારે છે. ઉલ્લેખનીય છે કે, લિથિયમ-આયન બૅટરી એ વર્તમાન સમયમાં ફોન તેમજ ઇલેક્ટ્રિક કાર માટે બૅટરીનો સૌથી લોકપ્રિય પ્રકાર છે.

હાન અને તેમનાં સહકર્મીઓએ રજૂ કરેલી MOST સિસ્ટમ અમુક મર્યાદાઓ ધરાવે છે. જેમકે, આ સિસ્ટમના કેન્દ્રમાં રહેલા અણુઓને આકાર બદલવા માટે પ્રકાશની 300 નેનોમીટર તરંગલંબાઈની જરૂર પડે છે - જે "અત્યંત આકરા યુવી પ્રકાશનું એક સ્વરૂપ છે. તે સૂર્યમાંથી આપણા સુધી પહોંચે છે, પણ અત્યંત થોડા પ્રમાણમાં," એમ લેન્કેસ્ટર યુનિવર્સિટીના જ્હોન ગ્રિફિન કહે છે.

વળી, ઊર્જા મુક્ત કરવા માટે વિકૃત અણુના આકારને ઉલટાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાયેલું ટ્રિગર હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ હતું - જે એક અત્યંત ક્ષયકારક પદાર્થ છે અને વપરાશ પછી તેને નિષ્ક્રિય કરવો જરૂરી છે. હાન સ્વીકારે છે, "તે આદર્શ પસંદગી નથી."

તેમને આશા છે કે, કુદરતી પ્રકાશ તરફ સિસ્ટમના પ્રતિસાદમાં સુધારો કરવાનું અને કોઈ ઝેરી રસાયણની જરૂરિયાત વિના જ ઊર્જા રિલીઝને સક્રિય કરવાનું શક્ય બનશે.

આ પ્રકારના કાર્યનું અંતિમ લક્ષ્ય હીટિંગને કાર્બન-મુક્ત કરવાનું હોય છે, જે અત્યંત મુશ્કેલ છે.

હીટિંગ માટે દુનિયા હજુયે અશ્મિગત ઈંધણો પર વ્યાપક સ્તરે નિર્ભર છે. મોલેક્યુલર સોલાર થર્મલ સિસ્ટમ અને અશ્મિગત ઈંધણો, એ બંને વાસ્તવમાં રાસાયણિક ઊર્જા સંગ્રહનાં સ્વરૂપો છે. પરંતુ, MOST ટૅક્નૉલૉજી "કશું પણ બાળ્યા વિના કામ કરે છે," એ બાબત પર મોથ-પૌઉલ્સન ભાર મૂકે છે.

વળી, આ ટૅકનિક પૃથ્વી પર કોઈપણ જગ્યાએ ઉપલબ્ધ કરાવી શકાય છે, જેની સામે અશ્મિગત ઈંધણો અમુક સ્થળોએ જ કેન્દ્રિત છે. આથી જ સ્ટ્રેટ ઑફ હોર્મુઝ બંધ થઈ જવાથી તાજેતરમાં ભારે હાલાકી સહન કરવી પડી રહી છે, એમ તેઓ નોંધે છે. વિશ્વના તે ભાગોમાંથી મળતાં ઈંધણો તેની જરૂરિયાત ધરાવતા લોકો સુધી પહોંચી શકતાં નથી.

દાયકાઓ સુધી ઊર્જાનો સંગ્રહ

મોથ-પૌલ્સન કહે છે કે, MOST ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલી લાંબા ગાળા સુધી, દસકાઓ સુધી પણ ઊર્જાનો સંગ્રહ કરી શકે છે. જ્યારે, ઉષ્મા (હીટ) તરીકે સંગ્રહવામાં આવેલી થર્મલ ઊર્જા કેવળ અમુક કલાકો, દિવસો કે વધુમાં વધુ અમુક મહિનાઓ સુધી જ ટકી શકે છે.

જોકે, આ સિવાય હજુ વધુ એક બાબત વિશે પણ વિચાર કરવો પડશે, એમ જર્મનીમાં હાઇડ્રોજન-કેન્દ્રિત ઝેડબીટી સેન્ટર ફૉર ફ્યૂઅલ સેલ ટૅક્નૉલૉજીના વૈજ્ઞાનિક ડિરેક્ટર તેમજ યુનિવર્સિટી ઑફ ડ્યૂસબર્ગ-ઍસન ખાતે કાર્યરત હૅરી હૉસ્ટર જણાવે છે.

હૉસ્ટરના અંદાજ પ્રમાણે, MOST સિસ્ટમમાં પ્રકાશ પ્રત્યે સંવેદનશીલ અણુઓને પ્રમાણમાં પાતળા સ્તરમાં પ્રસરાવવા જરૂરી છે. જો સ્તર વધુ જાડું હશે, તો પ્રકાશ તમામ અણુઓની અંદર બરાબર પ્રવેશી શકશે નહીં. "સકારાત્મક સ્થિતિમાં, તેને સંભવતઃ પાંચ મીમી જાડા સ્તરમાં પ્રસરાવી શકાય."

અને અણુઓને પ્રવાહીમાં પૅક કરવાનો અર્થ એ કે, ઊર્જાનો સંગ્રહ કરવા માટે કે પછી તેને બહાર ટ્રાન્સફર કરવા માટે તે પ્રવાહીને કાં તો સિસ્ટમના એક ભાગમાંથી બીજા ભાગમાં ખસેડવું પડશે કે પમ્પ કરવું પડશે. આમ કરવાથી ખર્ચ તથા જટિલતા વધી જાય છે.

હૉસ્ટર કહે છે, "ચીજોને પમ્પ કરીને ફેરવવી પડે, ત્યારે તે બગડવાની શક્યતા વધી જાય છે."

ગ્રિફિન કહે છે કે, તેઓ અને તેમના સહકર્મીઓ MOST ટૅક્નૉલૉજીની ઘન સ્વરૂપની આવૃત્તિઓ પર કામ કરી રહ્યા છે. MOSTની ઘન આવૃત્તિઓ પર કામ કરી રહેલાં હાન કહે છે કે, ઉદાહરણ તરીકે, આ ટૅક્નૉલૉજી પારદર્શક વિન્ડો કોટિંગનું સ્વરૂપ ધારણ કરી શકે છે. આમ, તેઓ રૂમને ગરમ કરવા માટે કે ભેજ અટકાવવા માટે ગરમી મુક્ત કરી શકે છે.

જોકે, MOST એક ઇમારત માટે જરૂરી તમામ ગરમી પૂરી પાડવા માટે સક્ષમ નીવડશે કે કેમ, તેને લઈને હૉસ્ટરને શંકા છે. અલબત્ત, તે ઉપગ્રહો કે વિમાનના તાપમાન પ્રત્યે સંવેદનશીલ ઘટકોને ગરમ રાખી શકે છે.

તેઓ ઉમેરે છે, "આ મહાન વિજ્ઞાન છે. તેઓ આ પ્રણાલીને યોગ્ય રીતે લાગુ કરવામાં સફળ રહ્યા, તે ઘણી સારી વાત છે."

નવતર પ્રયોગો તથા સંશોધન ચાલુ રહેવાની શક્યતા છે, જોકે, ઉલ્લેખનીય છે કે, વર્તમાન સમયમાં આ ક્ષેત્ર ઘણું જ સીમિત છે. ગ્રિફિન યાદ કરે છે કે, ગયા વર્ષે તેમણે MOST ટૅક્નૉલૉજી પરના એક સંમેલનમાં ભાગ લીધો હતો, જેમાં આશરે 70 સહભાગીઓ હતા. "ત્યાં મુખ્યત્વે આ ક્ષેત્રે કામ કરી રહેલો સમગ્ર વિશ્વનો સમુદાય હાજર હતો."

(સુધારો 9 મે: માત્ર કેટલાક સજીવો જ ડીએનએ રિપેર કરવા માટે ફોટોલાઇઝનો ઉપયોગ કરે છે, તે સ્પષ્ટતા કરવા માટે આ લેખમાં સુધારો કરવામાં આવ્યો હતો.)

બીબીસી માટે કલેક્ટિવ ન્યૂઝરૂમનું પ્રકાશન