वनस्पती कोट्यवधी वर्षांपासून एक विलक्षण गुंतागुंतीची प्रक्रिया करत आहेत. पाने सूर्यप्रकाश शोषून त्यातील ऊर्जेचे रासायनिक ऊर्जेत रूपांतर करतात. ही ऊर्जा साठवून नंतर वापरता येते.
या नैसर्गिक प्रक्रियेपासून प्रेरणा घेऊन युरोपमधील संशोधकांच्या एका पथकाने जवळपास 4 वर्षे एक प्रणाली विकसित केली आहे. ही प्रणाली सूर्यप्रकाशाच्या मदतीने पाण्याचे विघटन करून हरित हायड्रोजन तयार करते. तो साठवून नंतर ऊर्जास्रोत म्हणून वापरता येतो.
या संशोधनाचे नेतृत्व करणारे डॉ. एल्बे ओ मानाखान हे आयर्लंडमधील युनिव्हर्सिटी कॉलेज कॉर्कचे वरिष्ठ शास्त्रज्ञ आहेत. त्यांच्यासाठी या कामाची सुरुवात वरकरणी साध्या वाटणाऱ्या एका प्रश्नापासून झाली: एकाच, पुन्हा वापरता येणाऱ्या, कार्बनमुक्त बहुपेशीय प्रणालीद्वारे सूर्यप्रकाशाचे थेट हरित हायड्रोजनमध्ये रूपांतर करता येईल का?
युरोपीय महासंघाकडून निधी मिळालेल्या FreeHydroCells प्रकल्पाअंतर्गत हे काम करण्यात आले. त्यासाठी आयर्लंड, फ्रान्स, जर्मनी आणि इटलीमधील संशोधक एकत्र आले.
ते म्हणाले, “पाने सूर्यप्रकाश कसा शोषून घेतात, यापासून प्रेरणा घेऊन स्वच्छ ऊर्जा निर्माण करण्याची अधिक कार्यक्षम आणि कमी खर्चाची पद्धत आम्हाला विकसित करायची होती.”
सूर्यप्रकाशापासून हायड्रोजन
जीवाश्म इंधनांपासून दूर जाण्याच्या युरोपच्या वाटचालीत हायड्रोजन महत्त्वाची भूमिका बजावेल, अशी अपेक्षा आहे.
पण अक्षय ऊर्जा वापरून हायड्रोजन तयार करणे सोपे नाही. तथाकथित हरित हायड्रोजन तयार करण्याच्या पारंपरिक पद्धतीत अक्षय विजेने इलेक्ट्रोलायझर चालवला जातो. त्यानंतर तो पाण्याचे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनमध्ये विघटन करतो. यासाठी वीज तयार करणारी आणि पाण्याचे विघटन करणारी स्वतंत्र यंत्रणा लागते.
“पाने सूर्यप्रकाश कसा शोषून घेतात, यापासून प्रेरणा घेऊन स्वच्छ ऊर्जा निर्माण करण्याची अधिक कार्यक्षम आणि कमी खर्चाची पद्धत आम्हाला विकसित करायची होती.” — एल्बे ओ मानाखान, FreeHydroCells
FreeHydroCellsच्या संशोधकांनी या दोन्ही प्रक्रिया एकाच प्रणालीत आणणारी अधिक एकात्मिक पद्धत तपासली. विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात असलेल्या नव्या अर्धसंवाहक पदार्थांपासून सुरुवात करून त्यांनी एक संपूर्ण प्रणाली तयार करण्याचे काम हाती घेतले. जीवाश्म इंधनांवर अवलंबून न राहता सूर्यप्रकाश वापरून पाण्याचे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनमध्ये विघटन करणे हा तिचा उद्देश होता.
हे करताना कार्यक्षमता, परवडणारी किंमत आणि टिकाऊपणा यांचा मेळ घालण्याबरोबरच मुबलक प्रमाणात उपलब्ध व शाश्वत पदार्थ वापरण्याचा त्यांचा प्रयत्न होता. हे तंत्रज्ञान मोठ्या प्रमाणावर वापरता येऊ शकते, हेही त्यांना दाखवायचे होते. त्यासाठी छोट्या पेशींपासून मोठ्या पेशींकडे वाटचाल करून अखेरीस त्या सर्वांना एकाच कार्यरत बहुपेशीय प्रणालीत एकत्र आणायचे होते.
पानासारखी प्रक्रिया
संशोधक त्यांच्या तंत्रज्ञानाचे वर्णन प्रकाशसंश्लेषणाची कृत्रिम नक्कल असे न करता ‘पानासारखे’ असे करतात. नैसर्गिक पान सूर्यप्रकाश, पाणी आणि CO 2 वापरून ऊर्जा साठवलेला सेंद्रिय पदार्थ तयार करते. त्याऐवजी FreeHydroCells प्रणाली सूर्यप्रकाशाच्या मदतीने चालणाऱ्या कार्बनमुक्त प्रक्रियेत पाण्याचे हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनमध्ये विघटन करते.
जर्मनीतील आखेन येथे असलेल्या AMO या नॅनोतंत्रज्ञान संशोधन संस्थेत सेन्सर तंत्रज्ञान आणि ऊर्जा रूपांतरणाच्या संशोधन गटांचे नेतृत्व करणारे डॉ. उलरिश प्लाखेटका म्हणाले, “शेवटी पान हेसुद्धा सौरऊर्जेवर चालणारा जैवरासायनिक कारखानाच आहे.”
सूर्यप्रकाश शोषून घेण्यासाठी तयार केलेले अर्धसंवाहक पदार्थांचे पातळ थर हा या प्रणालीचा मुख्य भाग आहे. पुरेशी प्रकाशऊर्जा शोषली गेल्यावर विद्युतभार तयार होतात. हे विद्युतभार पाण्याच्या संपर्कपृष्ठांपर्यंत पोहोचवता येतात आणि त्यामुळे पाण्याच्या रेणूंचे विघटन करण्यासाठी आवश्यक ऊर्जा मिळते.
दुसऱ्या शब्दांत, याच एकंदर प्रणालीमध्ये सूर्यप्रकाश शोषून त्याचे हायड्रोजनच्या स्वरूपातील रासायनिक ऊर्जेत रूपांतर केले जाते.
एका पेशीपासून संपूर्ण प्रणालीपर्यंत
ही संकल्पना पूर्णपणे नवी नाही. फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल पेशींचा 5 दशकांहून अधिक काळ अभ्यास झाला आहे. मात्र या कल्पनेचे व्यावहारिक तंत्रज्ञानात रूपांतर करणे हे त्याहून मोठे आव्हान आहे.
संशोधकांना अर्धसंवाहक पदार्थ, नॅनोतंत्रज्ञान, पाण्याचे विघटन आणि ऊर्जा रूपांतरण यांसह वेगवेगळ्या क्षेत्रांतील कौशल्ये एकत्र आणावी लागली. काही मूलभूत व्यावहारिक प्रश्नही त्यांना सोडवायचे होते. हे तंत्रज्ञान अधिक मोठ्या क्षेत्रावर काम करू शकेल का? त्यातील वेगवेगळे घटक एकत्र जोडता येतील का? आणि परिणामी तयार होणारी प्रणाली उत्पादन प्रक्रियांशी सुसंगत पद्धतीने बनवता येईल का?
अनेक वर्षांच्या काळात पथकाने नव्याने विकसित होत असलेले अर्धसंवाहक पदार्थ आणि प्रयोगशाळेतील छोट्या पेशींपासून अधिक मोठ्या क्षेत्राच्या बहुस्तरीय पेशींपर्यंत आणि अखेरीस पाण्याचे विघटन करणाऱ्या बहुपेशीय प्रणालीपर्यंत प्रगती केली.
संपूर्ण प्रणालीच्या पातळीवरील ही कामगिरी प्रकल्पाच्या निष्कर्षांचा महत्त्वाचा भाग आहे. केवळ एक कार्यरत पेशी दाखवण्याऐवजी संशोधकांनी भविष्यातील उत्पादनाचा विचार करून अनेक घटक एका मोठ्या प्रणालीत एकत्र जोडले आहेत.
कृत्रिम सूर्यप्रकाशाखाली केलेल्या चाचण्यांत सूर्यप्रकाशापासून हायड्रोजननिर्मितीची सुमारे 18–21% कार्यक्षमता दिसून आली. थेट सौरऊर्जेने पाण्याचे विघटन करणाऱ्या प्रणालींसाठी हा चांगला निकाल आहे. पारंपरिक इलेक्ट्रोलायझरमध्ये आधी वीज निर्माण करून मग तिच्या मदतीने पाण्याचे विघटन करावे लागते. त्याउलट, ही प्रणाली बाह्य विद्युतदाबाशिवाय चालली आणि तिने शोषलेला सूर्यप्रकाश थेट वापरला.
हे तंत्रज्ञान अजूनही तंत्रज्ञान सज्जता पातळी 4वर (TRL 4) आहे. म्हणजेच, ते चाचणीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात असून व्यावसायिक वापरासाठी तयार उत्पादन नाही. मात्र वेगवेगळे घटक मोठ्या क्षेत्रावर एकत्र काम करू शकतात, हे दाखवणे संशोधकांसाठी एक महत्त्वाचे पाऊल होते.
स्वच्छ हायड्रोजन अधिक सहज उपलब्ध करणे
मात्र संशोधन पथकाच्या मते, केवळ कार्यक्षमता पुरेशी नाही. हरित हायड्रोजनला जीवाश्म इंधनांचा व्यावहारिक पर्याय बनण्यासाठी तो परवडणारा आणि टिकाऊही असणे आवश्यक आहे. त्याचबरोबर दुर्मीळ पदार्थांवरील अवलंबित्व टाळावे लागेल. FreeHydroCells प्रणालीत पातळ फिल्म तंत्रज्ञानासह मुबलक प्रमाणात उपलब्ध, शाश्वत आणि संभाव्यतः पुनर्चक्रण करता येणारे पदार्थ वापरले आहेत.
संशोधकांनी अधिक मोठ्या क्षेत्राचे आणि कमी वजनाचे घटक विकसित केले आहेत. पुढे हे घटक एकत्र जोडून मॉड्युलर प्रणाली बनवता येऊ शकते. यातून ऊर्जा निर्माण व साठवण्याची एक वेगळी पद्धत पुढे येते. पूर्णपणे मोठ्या, केंद्रीकृत प्रकल्पांवर अवलंबून राहण्याऐवजी जिथे हायड्रोजनची गरज आहे, त्या ठिकाणाच्या जवळ त्याचे उत्पादन करणे शक्य होऊ शकते.
“शेवटी पान हेसुद्धा सौरऊर्जेवर चालणारा जैवरासायनिक कारखानाच आहे.” — उलरिश प्लाखेटका, FreeHydroCells
दीर्घकाळाचा विचार करता, घरे, व्यवसाय आणि समुदायांना स्वतःची अक्षय ऊर्जा निर्माण व साठवता येईल अशा विकेंद्रित ऊर्जा प्रणालींची संशोधक कल्पना करतात. लहान पवनऊर्जा किंवा जलविद्युत प्रणाली सौर घटकाला पूरक ठरू शकतील. सूर्यप्रकाश उपलब्ध नसताना ऊर्जा साठवण्यास त्यांची मदत होऊ शकेल.
अशा प्रणालीमुळे जीवाश्म इंधनांवरील अवलंबित्व कमी होऊ शकते. ती मोठ्या प्रमाणावर उभारल्यास, महागड्या पायाभूत सुविधांच्या मदतीने लांब अंतरावर ऊर्जा वाहून नेण्याची गरज कमी होऊन सध्याच्या ऊर्जा जाळ्यांवरील ताण हलका होऊ शकतो. ऊर्जेची उपलब्धता, निर्मिती, साठवण आणि वापर याबाबत समुदायांची अडचणींना तोंड देण्याची क्षमताही यामुळे वाढू शकते.
मात्र सध्या हा प्रत्यक्ष वापरातून सिद्ध झालेला पर्याय नसून भविष्यातील एक शक्यता आहे.
प्रयोगशाळेतून समुदायांपर्यंत
या तंत्रज्ञानाला सध्याच्या प्रयोगशाळेतील संकल्पना-सिद्धतेच्या टप्प्यापुढे नेणे आणि अधिक वास्तववादी परिस्थितीत त्याची चाचणी करणे, हे सध्याचे प्रमुख आव्हान आहे.
अधिक सुसंगत वातावरणात तंत्रज्ञानाचे प्रात्यक्षिक करून TRL 5च्या दिशेने जाणे, हे संशोधकांचे पुढील उद्दिष्ट आहे. त्यासाठी प्रणाली अधिक मोठ्या क्षेत्रावर वापरता येईल इतकी वाढवावी लागेल. तसेच तिचे कार्यक्षमतेने उत्पादन करता येईल आणि अखेरीस ती बाजारात आणता येईल, याची खात्री करावी लागेल.
ओ मानाखान म्हणाले, “कमी वजनाच्या प्रणालीच्या पातळीवर आम्ही हे साध्य केले आहे. आणि हे किती महत्त्वाचे आहे, हे मी कितीही सांगितले तरी कमीच आहे.”
प्रयोगशाळेतील संकल्पना-सिद्धतेपासून व्यावसायिक वापरात आणलेल्या हरित हायड्रोजन तंत्रज्ञानापर्यंत पोहोचण्यासाठी अजून बराच पल्ला गाठायचा आहे. मात्र संशोधकांनी ही संकल्पना तंत्रज्ञान प्रत्यक्षात साकार करण्याच्या टप्प्याच्या बरीच पुढे नेली आहे.
त्यांचे कृत्रिम पान निसर्गाची हुबेहूब नक्कल करत नाही. त्याऐवजी ते निसर्गाच्या सर्वांत जुन्या युक्त्यांपैकी एक वापरते—सूर्यप्रकाश शोषून त्याचे साठवलेल्या रासायनिक ऊर्जेत रूपांतर करणे—आणि हे तत्त्व आधुनिक अर्धसंवाहक व उत्पादन तंत्रज्ञानांशी जोडते.
ही पद्धत पुरेशी टिकाऊ, परवडणारी आणि मोठ्या प्रमाणावर वापरण्यायोग्य बनवता आली, तर अखेरीस ती हरित हायड्रोजन तयार करण्याचा अधिक थेट आणि संभाव्यतः कमी परिणाम करणारा मार्ग देऊ शकेल.
अक्षय ऊर्जेची निर्मिती आणि साठवण लोक जिथे राहतात व काम करतात त्या ठिकाणांच्या जवळ आणण्यास ती मदत करू शकेल. त्यामुळे समुदायांना त्यांच्या ऊर्जेची निर्मिती, साठवण आणि वापर कसा केला जातो, यावर अधिक नियंत्रण मिळू शकेल. त्याच वेळी त्यांचा कार्बन ठसा, जीवाश्म इंधनांवरील अवलंबित्व आणि सध्याच्या ऊर्जा जाळ्यांवरील ताण कमी होऊ शकेल.
या लेखातील संशोधनाला युरोपीय महासंघाच्या Horizon कार्यक्रमातून निधी मिळाला. मुलाखत दिलेल्या व्यक्तींची मते युरोपियन कमिशनच्या मतांशी जुळतीलच असे नाही. हा लेख आवडला असल्यास तो सोशल मीडियावर शेअर करण्याचा विचार करा.