भारतीय वैज्ञानिकांचा 'हा' शोध ठरू शकतो क्रांतिकारक, अनेक पटींनी ऊर्जेची बचत होण्याचा संशोधकांचा दावा

भारतीय रस्त्यांवर आता इलेक्ट्रिक वाहनं वाढत्या प्रमाणात सर्वत्र आढळत आहेत. त्याच वेळी, ऑनलाइन बँकिंग, यूपीआय व्यवहार, व्हीडिओ स्ट्रीमिंग, सोशल मीडिया आणि क्लाउड स्टोरेज यांच्यासाठी आवश्यक असलेल्या डेटा सेंटर्सचा विस्तारदेखील वेगानं होतो आहे.

या दोन्ही गोष्टींकडे स्वतंत्रपणे पाहिलं असता त्या पूर्णपणे वेगवेगळ्या असल्याचं दिसतं. मात्र तरीदेखील मूलत: त्या एकाच तंत्रज्ञानावर आधारित आहेत. ते म्हणजे 'मजबूत, खात्रीशीर इलेक्ट्रॉनिक्स'.

बंगळुरूच्या 'इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्स'मधील संशोधकांनी अलीकडेच एक संशोधन केलं आहे. त्याद्वारे त्यांनी एक अत्यंत महत्त्वाची समस्या सोडवली आहे.

या समस्येमुळे 'गॅलियम नायट्राईड' किंवा 'जीएएन' नावाच्या एका शक्तिशाली पदार्थाच्या व्यापक वापरामध्ये अडथळे निर्माण होत होते. मात्र या संशोधकांच्या संशोधनामुळे इलेक्ट्रिक वाहनांची सुरक्षितता आणि ऊर्जेच्या वापराबाबतची कार्यक्षमता अनेक पटींनी वाढेल. तसंच या वाहनांची वेगानं चार्जिंग करणं शक्य होणार आहे, अशी माहिती इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्सनं जारी केलेल्या एका प्रसिद्धीपत्रकात दिली आहे.

मयंक श्रीवास्तव, इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्सच्या इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम्स इंजिनीअरिंग विभागात प्राध्यापक आहेत. त्यांनी या संशोधनाचं नेतृत्व केलं.

मयंक बीबीसीला म्हणाले, "सध्या वापरात असलेल्या सिलिकॉनपेक्षा 'गॅलियम नायट्राईड' अधिक वेगवान आणि कार्यक्षम असतं. मात्र काही मर्यादांमुळे ते आतापर्यंत पूर्णत: भरवशाचं ठरलं नव्हतं. या संशोधनातून आम्ही जी नवीन रचना विकसित केली आहे, त्यामुळे ही परिस्थिती बदलली आहे."

गॅलियम नायट्राईड म्हणजे काय? ते महत्त्वाचं का आहे?

हे समजून घेण्यासाठी, आपण आधी एका छोट्याशा, मात्र शक्तिशाली उपकरणाबद्दल जाणून घेतलं पाहिजे. हे उपकरण म्हणजे 'ट्रान्झिस्टर'.

ट्रान्झिस्टर हा एखाद्या छोट्याशा इलेक्ट्रिकल स्विच किंवा बटणासारखा असतो. तो चालू केला असता विद्युत प्रवाह वाहतो. तो बंद केला की विजेचा प्रवाह थांबतो. आधुनिक यंत्रांमध्ये असे हजारो, तर काही लाखो स्विच असतात.

हे ट्रान्झिस्टर शतकानुशतकं बनवले जात आहेत. ते प्रामुख्यानं सिलिकॉन नावाच्या पदार्थापासून बनवले जातात. इलेक्ट्रॉनिक्सच्या विश्वात सिलिकॉनचा खूप चांगला वापर झाला आहे. मात्र जसजशी यंत्रं अधिक शक्तिशाली होत गेली आणि त्यांची ऊर्जेची मागणी वाढत गेली, तसतसं वैज्ञानिक सिलिकॉनऐवजी दुसऱ्या पर्यायाचा शोध घेऊ लागले आहेत.

सिलिकॉनसाठीचा असाच एक पर्याय म्हणजे गॅलियम नायट्राईड. GaN हे त्याचं संक्षिप्त स्वरुप आहे. सिलिकॉनशी तुलना केली असता, गॅलियम नायट्राईड अधिक ऊर्जा हाताळू शकतं आणि विजेचं रूपांतर अधिक वेगानं करू शकतं.

सर्वसामान्यपणे यंत्रांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या वीजेच्या प्रमाणानुसार ऊर्जेचा एक मोठा भाग उष्णतेच्या स्वरुपात वाया जातो. गॅलियम नायट्राईड सुद्धा उष्णतेच्या स्वरुपात वाया जाणाऱ्या ऊर्जेचं प्रमाण कमी करतं.

गॅलियम नायट्राईडच्या या गुणधर्मामुळे, सिलिकॉनऐवजी गॅलियम नायट्राईडचा वापर करून बनवलेली उपकरणं आकारानं अधिक लहान असू शकतात. काही वेळा तर ती तीन पट लहान असू शकतात, असं या संशोधनातून सुचवलं आहे.

म्हणूनच, गॅलियम नायट्राईडचा वापर इलेक्ट्रिक वाहनं, चार्जर्स, अपारंपारिक ऊर्जा व्यवस्था आणि डेटा सेंटर्समध्ये केल्यास, त्यातून अनेक सकारात्मक फायदे होतील, असं इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्सनं जारी केलेल्या एका प्रसिद्धीपत्रकात म्हटलं आहे.

इतके फायदे असूनदेखील, बाजारात सिलिकॉनला पूर्णपणे पर्याय म्हणून याचा वापर का करता आला नाही, यामागं एक कारण आहे. हे कारण ट्रान्झिस्टरच्या एका अतिशय छोट्या मात्र महत्त्वाच्या भागात दडलेलं आहे. तो भाग म्हणजे 'गेट'.

'गेट'शी संबंधित काय समस्या आहे?

प्रत्येक ट्रान्झिस्टरमध्ये एक 'गेट' असतो. हा गेट नावाचा भाग उपकरण सुरू कधी करायचं आणि बंद कधी करायचं, यावर नियंत्रण ठेवतो. त्याची तुलना पाण्याच्या नळाशी करता येऊ शकते. जेव्हा तुम्ही नळाची तोटी फिरवता, तेव्हा त्यातून पाणी येऊ लागतं आणि जेव्हा तुम्ही तोटी पुन्हा उलट दिशेनं फिरवता, तेव्हा पाणी येणं बंद होतं. ट्रान्झिस्टरमध्ये असलेला हा गेट विजेच्या प्रवाहावर असंच नियंत्रण ठेवतो.

ट्रान्झिस्टर सुरू होण्यासाठी, त्यामध्ये असणाऱ्या 'गेट'ला किमान ठराविक विद्युतदाबाचा (व्होल्टेज) पुरवठा करणं आवश्यक असतं. या किमान व्होल्टेजला 'गेट व्होल्टेज' असं म्हणतात. नळ सुरू करण्यासाठी तुम्हाला जसा किमान दाब (प्रेशर) द्यावा लागतो, त्याप्रमाणेच हे गेटच्या बाबतीत असतं.

गॅलियन नायट्राईडचा वापर करण्यात आलेल्या सध्याच्या अनेक उपकरणांमध्ये, हा गेट व्होल्टेज तुलनात्मकरित्या कमी असतो. म्हणजेच, गेट सुरू करून वीज प्रवाहित करण्यासाठी फक्त जवळपास 1.5 ते 2 व्होल्टची आवश्यकता असते. यातून एक समस्या निर्माण होते.

यामुळे इलेक्ट्रिक वाहनं, डेटा सेंटर्ससारख्या मोठ्या इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम्समधील व्होल्टेजमध्ये छोटे, अनावश्यक अडथळे येतात. जर गेट व्होल्टेज खूपच कमी असेल, तर या अगदी छोट्या अडथळ्यांमुळेदेखील उपकरण अपघातानं किंवा चुकून सुरू होऊ शकतं.

यातील आणखी एक समस्या म्हणजे लीकेज करंट किंवा वीज गळती. म्हणजेच, जेव्हा एखादं इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बंद राहायला हवं असतं, तेव्हादेखील छोट्या प्रमाणात विजेचा प्रवाह सुरू असतो. नळाची तोटी बंद केल्यानंतर देखील त्यातून पाणी ठिबकत राहतं. हे काहीसं तसंच आहे. कालांतरानं, सततच्या करंट लीकेज किंवा वीज गळतीचा ट्रान्झिस्टरचा कामकाजावर परिणाम होऊ शकतो.

या समस्यांमुळे, अत्यंत भरवशाच्या सिस्टम्समध्ये गॅलियम नायट्राईडचा वापर करण्याबाबत तज्ज्ञ सावध राहिले आहेत. इलेक्ट्रिक वाहनं आणि डेटा सेंटर्स, उष्णता, दाब आणि बदलत्या परिस्थितींमध्ये देखील अनेक वर्षे खात्रीशीरपणे कार्यरत राहणं आवश्यक असतं.

गॅलियम नायट्राईडचा वापर केलेल्या उपकरणांमधील अशाप्रकारचं कोणतंही अनपेक्षित वर्तन अतिशय धोकादायक ठरू शकतं.

उपायाचा पाया घालणारा सूक्ष्म मात्र महत्त्वाचा शोध

या उपकरणांना असलेल्या या धोक्यांवर उपाय शोधण्यासाठी, इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्सच्या वैज्ञानिकांनी या समस्येमागचं मूलभूत विज्ञान समजून घेण्याचा प्रयत्न केला.

ट्रान्झिस्टरमधील छोट्या गळतीमुळे त्याच्या गतिशील वर्तनावर कसा परिणाम होतो, याबाबत वैज्ञानिकांनी काळजीपूर्वक अभ्यास केला.

प्राध्यापक मयंक श्रीवास्तव यांनी सांगितलं की, संशोधकांच्या टीमला वीजेची गळती आणि ट्रान्झिस्टरचं सुरू होणं, यामध्ये एक मजबूत संबंध दिसून आला. "छोट्या गळतीमुळे ट्रान्झिस्टर लवकर सुरू होतो की उशिरा सुरू होतो, यावर परिणाम होत होता. या मुद्द्याबाबतचं हे एकप्रकारे पूर्णपणे नवीनच आकलन होतं."

संशोधकांनी तपशीलवार मॉडेल्स आणि अतिशय सूक्ष्म स्वरुपाच्या विश्लेषणाचा वापर करून प्रयोगातून समोर आलेल्या माहिती, निष्कर्षांचा काळजीपूर्वक अभ्यास केला. यामधून त्यांनी दाखवून दिलं की या गळतीच्या छोट्या मार्गांवर नियंत्रण ठेवल्यास गेट व्होल्टेजवर नियंत्रण ठेवण्यास मदत होऊ शकते. हे आकलन किंवा शोध, गॅलियम नायट्राईडशी संबंधि समस्या सोडवण्याचा आधार बनला.

वैज्ञानिकांनी तयार केलं 'गेट'चं नवीन डिझाईन

गॅलियम नायट्राईडचा वापर करण्यात आलेली उपकरणं भरवशाची किंवा खात्रीशीर का नव्हती, याचं मूळ कारण लक्षात आल्यानंतर, संशोधकांच्या टीमनं त्यावरचा उपाय म्हणून गेटची नवीन रचना किंवा डिझाईन तयार केलं.

प्राध्यापक मयंक यांनी सांगितलं की त्यांनी ट्रान्झिस्टरमध्ये पी-गॅलियम नायट्राईड (पी-जीएएन) सह ॲल्युमिनिय-टायटॅनियम ऑक्साईडचा वापर करून सुधारित गेट लेयर्स किंवा थर विकसित केले आहेत. "या नवीन रचनेमुळे अनावश्यक वीज किंवा ऊर्जा गळती लक्षणीयरित्या कमी होते," असं ते म्हणाले.

संशोधकांनुसार, गेटच्या या नवीन डिझाईनमुळे आधीच्या गेटमधील करंट लीकेज किंवा वीज गळती प्रचंड मोठ्या प्रमाणात म्हणजे 10,000 पटींपर्यंत कमी होते.

त्याच वेळी, स्टार्टिंग व्होल्टेज म्हणजे सुरुवातीला लागणारा व्होल्टेज यामुळे 4 व्होल्ट्सपेक्षा अधिक वाढतो. म्हणजेच, जो स्वीच आधी 1.5 व्होल्ट्सला सुरू होत होता, तो आता अपघातानं किंवा चुकून सुरू होणार नाही.

"ही महत्त्वाची बाब आहे. कारण मॉसफेट्स (एमओएसएफईटी) म्हणून ओळखली जाणारी पारंपारिक सिलिकॉन उपकरणं सर्वसाधारणपणे 3 ते 3.5 व्होल्टवर चालतात. ते जवळपास 15 व्होल्टचा गेट व्होल्टेज सहन करू शकतात."

मयंक श्रीवास्तव पुढे म्हणाले, "या अभ्यासातून असं आढळून आलं आहे की गॅलियम नायट्राईड स्विचचा ऑन-स्टेट व्होल्टेज (सर्व इलेक्ट्रॉनिक भागांमध्ये असणारा छोटासा व्होल्टेज) 1.5 व्होल्टस वरून 4 व्होल्ट्सपर्यंत वाढवल्यास, नवीन गॅलियम नायट्राईड (जीएएन) उपकरणं सिलिकॉन उपकरणांइतकीच खात्रीशीरपणे काम करतात."

"तसंच त्यांच्या स्थिरतेमध्ये सुधारणा होते. अशाच प्रकारे, गेट ब्रेकडाऊन व्होल्टेजमध्ये देखील वाढ करून तो जवळपास 15.5 व्होल्ट्सपर्यंत वाढवण्यात आला आहे. यामुळे त्याच्या मजबूतीमध्ये सुधारणा होते."

या विषयाबद्दल प्राध्यापक श्रीवास्तव म्हणाले, "कमी गळती असलेले तसंच विजेचा उच्च व्होल्टेज सुरक्षितरित्या हाताळता येणारे गॅलियम नायट्राईड तयार करणं, हा या उपकरणांच्या व्यापक वापरातील एक महत्त्वाचा टप्पा आहे."

"सोप्या भाषेत सांगायचं तर, गॅलियम नायट्राईडमुळे इंजिनीअर्सना अपेक्षित आहेत त्याप्रमाणे सिस्टम्समध्ये वापरण्यासाठी उपकरणं अधिक अंदाज वर्तवण्यायोग्य, स्थिर, सोयीस्कर आणि खात्रीशीर बनली आहेत," असं ते पुढे म्हणाले.

इलेक्ट्रिक वाहनांना याचा काय फायदा होईल?

इलेक्ट्रिक वाहनं मोठ्या प्रमाणात इलेक्ट्रॉनिक्सवर अवलंबून असतात. या इलेक्ट्रॉनिक्सचा वापर ऑन-बोर्ड चार्जर्स, डीसी-डीसी कन्व्हर्टर्स, इन्व्हर्टर्स आणि मोटर ड्राईव्हमध्ये केला जातो.

चार्जरपासून ते बॅटरीपर्यंत आणि बॅटरीपासून ते मोटरपर्यंत विजेचा प्रवाह कशाप्रकारे जातो यावर ते नियंत्रण ठेवतात.

"विजेची गळती कमी करणं आणि व्होल्टेजचा टॉलरन्स वाढवणं यासारख्या प्रगतीमुळे इलेक्ट्रिक वाहनांच्या सिस्टमच्या कामगिरीत लक्षणीय सुधारणा होईल," असं प्राध्यापक फ्लोरेन्स ज्ञाना पूवथी यांनी सांगितलं. त्या चेन्नईतील वेल्लोर इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीच्या (VIT) स्कूल ऑफ इलेक्ट्रॉनिक इंजिनीअरिंगमधील इलेक्ट्रिक व्हेहिकल्स इन्क्युबेशन टेस्टिंग अँड रिसर्च सेंटरमध्ये कार्यरत आहेत.

याशिवाय, त्या म्हणतात की जेव्हा विजेची गळती (इलेक्ट्रिकल लीकेज) कमी होते, तेव्हा उष्णतेच्या स्वरुपात ऊर्जा वाया जाण्याचं प्रमाणदेखील कमी होतं.

"यातून इलेक्ट्रिक वाहनांमधील उष्णतेचं चांगलं व्यवस्थापन (थर्मल मॅनेजमेंट) आणि मोठ्या कूलिंग स्ट्रक्चर्सची गरजदेखील कमी होते," असं फ्लोरेन्स सांगतात.

फ्लोरेन्स ज्ञाना पूवथी यांनी सांगितलं की या रचनेमुळे बॅटरी अधिक वेगानं चार्ज होण्यास मदत होईल. कारण यामुळे बॅटरीची कार्यक्षमता वाढेल. त्यामुळे मोटरपर्यंत अधिक ऊर्जा पोहोचेल आणि त्यातून चार्जिंगसाठी लागणारा कालावधी कमी होईल.

त्यांच्या मते, याव्यतिरिक्त, उपकरणांची सुरक्षितता आणि खात्री वाढते. कारण गॅलियम नायट्राईडच्या वापरामुळे अपघातानं किंवा चुकून उपकरण सुरू होण्याचे (टर्न-ऑन) प्रकार रोखले जातात.

सर्वसामान्यपणे, हे आधीच ज्ञात आहे की गॅलियम नायट्राईडचा असलेल्या उपकरणांच्या वापरामुळे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचा एकूणच आकार कमी होतो. आता सुधारित 'गेट' डिझाईनमुळे पूर्वी भेडसावत असणाऱ्या समस्या सोडवण्यास मदत होते आहे.

त्यामुळे इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये छोट्या किंवा अधिक आटोपशीर डिझाईनचा अवलंब करता येणार आहे. परिणामी, वाहनांमध्ये बॅटरी किंवा इतर घटकांसाठी अधिक जागा उपलब्ध होऊ शकते. त्यातून उपकरणाचा आकार कमी होऊ शकेल.

अशा प्रकारच्या सुधारणांमुळे, भविष्यातील इलेक्ट्रिक वाहनांच्या बाबतीत अधिक लांबचा पल्ला, जलद चार्जिंग आणि अधिक कार्यक्षमता, ही वैशिष्ट्यं साध्य करणं शक्य होऊ शकेल, असं फ्लोरेन्स म्हणतात.

यामुळे सेंद्रिय उत्सर्जन (ऑरगॅनिक एमिशन) कमी होऊ शकेल का?

डेटा सेंटर्स खूप जास्त प्रमाणात विजेचा वापर करतात. या सेंटर्समधील विजेची हानी किंवा गळती यामुळे फक्त वीजबिलातच वाढ होत नाही, तर त्यातून प्रचंड उष्णतादेखील निर्माण होते. त्या उष्णतेवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात कूलिंग सिस्टमची आवश्यकता भासते.

फ्लोरेन्स ज्ञाना पूवथी म्हणतात की जर डेटा सेंटरच्या वीज पुरवठ्यात अधिक खात्रीशीर, कार्यक्षम गॅलियम नायट्राईड (जीएएन) उपकरणांचा वापर करण्यात आला, तर वीज गळती किंवा अनावश्यक वापर कमी होऊ शकतो.

वीज किंवा ऊर्जेचा अपव्यय कमी झाल्यानं, कूलिंगची म्हणजे उपकरणं थंड करण्यासाठीची आवश्यकता कमी होईल. यातून कार्बन उत्सर्जनदेखील कमी होईल, असं वैज्ञानिकांचा म्हणणं आहे. तज्ज्ञांना वाटतं की हजारो डेटा सेंटर्सच्या कार्यक्षमतेत ही छोटीशी सुधारणा केल्यामुळे मोठ परिणाम होऊ शकतो.

तंत्रज्ञानातील या नव्या प्रगतीमुळे गॅलियम नायट्राईड तंत्रज्ञानाच्या वापरासंदर्भातील एक तांत्रिक अडथळा दूर झाला आहे. भौतिकशास्त्रातील एका मूलभूत समस्येला दूर करून आणि त्याचं रुपांतर एका व्यावहारिक इंजिनीअरिंग उपायामध्ये करून हे साध्य करण्यात आलं आहे.

याव्यतिरिक्त, इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्सच्या प्रसिद्धीपत्रकात असं म्हटलं आहे की "सरकारचा पाठिंबा, उद्योग क्षेत्राची भागीदारी आणि परवाना पद्धतींच्या माध्यमातून, व्यावसायिक वापरासाठी या तंत्रज्ञानाचा विस्तार करण्याच्या स्थितीत संशोधक आहेत."

तज्ज्ञांना वाटतं की जर हा शोध यशस्वीरीत्या अंमलात आणण्यात आला, तर त्यामुळे भारताला इलेक्ट्रिक वाहनांच्या क्षेत्रात एक मोठं यश मिळवणं किंवा प्रगती करणं शक्य होईल.

हे संशोधन IEEE Transactions on Electron Devices मध्ये प्रकाशित झाले आहे.

बीबीसीसाठी कलेक्टिव्ह न्यूजरूमचे प्रकाशन.