वैज्ञानिकों ने कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण से सूर्य के प्रकाश का उपयोग कर कार्बन डाइऑक्साइड को ईंधन में बदला

भविष्य की ऊर्जा के लिए प्रकृति की नकल

चीनी शोधकर्ताओं ने स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकी में एक महत्वपूर्ण प्रगति की है। उन्होंने ऐसी प्रणाली विकसित की है, जो केवल सूर्य के प्रकाश की मदद से कार्बन डाइऑक्साइड और पानी को उपयोगी रासायनिक कच्चे पदार्थों में बदलती है। सहकर्मी-समीक्षित पत्रिका Nature Communications में प्रकाशित यह सफलता प्रकाश संश्लेषण से प्रेरित है। प्रकाश संश्लेषण वह प्राकृतिक प्रक्रिया है, जिसके जरिए पौधे सूर्य के प्रकाश, पानी और वायुमंडलीय कार्बन से ऊर्जा बनाते हैं।

चीनी विज्ञान अकादमी और हांगकांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों की इस टीम ने एक विशेष पदार्थ बनाया, जो थोड़ी मात्रा में विद्युत ऊर्जा का भंडारण कर सकता है। कार्बन डाइऑक्साइड को उपयोगी यौगिकों में बदलने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए ऊर्जा का यह भंडारण आवश्यक है। इससे जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता नहीं रहती।

कार्बन डाइऑक्साइड को बदलने में मदद करने वाले उत्प्रेरकों के साथ यह प्रणाली सूर्य की ऊर्जा से कार्बन मोनोऑक्साइड बना सकती है। इस मध्यवर्ती रसायन को आगे संसाधित कर तरल हाइड्रोकार्बन ईंधन बनाया जा सकता है। इससे विमानन और जहाजरानी जैसे उन क्षेत्रों को ऊर्जा देने का एक संभावित रास्ता मिलता है, जहां विद्युतीकरण अब भी कठिन है।

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण कैसे काम करता है

सूर्य के प्रकाश से कार्बन डाइऑक्साइड को ईंधन में बदलने की प्रक्रिया को फोटोकैटेलिसिस या कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण कहा जाता है। स्वच्छ ऊर्जा अनुसंधान में यह लंबे समय से एक लक्ष्य रहा है। प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण से पौधे सौर ऊर्जा को रासायनिक बंधों में संचित करते हैं और कार्बन डाइऑक्साइड तथा पानी से शर्करा बनाते हैं। वैज्ञानिकों ने प्रयोगशालाओं में इस दक्षता की नकल करने की कोशिश की है, ताकि पेट्रोलियम उत्पादों की जगह टिकाऊ ईंधन के विकल्प बनाए जा सकें।

चीनी टीम ने कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण की एक अहम चुनौती पर काम किया: कई जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाओं को एक साथ जोड़ना। प्राकृतिक प्रणालियां प्रकाश से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को अस्थायी रूप से संचित करने के लिए परिष्कृत जैविक तंत्रों का उपयोग करती हैं। इससे प्रतिक्रिया के अलग-अलग चरणों के बीच ऊर्जा का कुशल हस्तांतरण होता है। शोधकर्ताओं ने चार्ज के भंडार की तरह काम करने वाला, चांदी से संशोधित टंगस्टन ट्राइऑक्साइड पदार्थ बनाकर इसी रणनीति को दोहराया।

शोध टीम ने अपने प्रकाशित शोधपत्र में इस महत्वपूर्ण रणनीति का वर्णन किया।

यह काम कार्बन डाइऑक्साइड के कुशल प्रकाश-अपचयन के लिए जैव-प्रेरित चार्ज-भंडार रणनीति स्थापित करता है और सौर ईंधन उत्पादन के लिए एक सार्वभौमिक तरीका प्रस्तुत करता है।

यह पदार्थ प्रकाश पड़ने पर इलेक्ट्रॉनों को संचित करता है और रासायनिक प्रतिक्रियाएं चलाने के लिए जरूरत पड़ने पर उन्हें छोड़ता है। इसकी कार्यक्षमता उन तरीकों के बराबर है जिनमें कार्बनिक बलिदानी अभिकर्मकों का उपयोग होता है, जो अक्सर टिकाऊ नहीं होते। साथ ही, अलग-अलग उत्प्रेरकों के साथ मिलाकर इस प्रणाली का व्यापक उपयोग किया जा सकता है। प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश में इस पदार्थ ने रूपांतरण प्रतिक्रियाएं सफलतापूर्वक शुरू कीं। इससे कृत्रिम प्रकाश या बाहरी ऊर्जा स्रोतों के बिना व्यावहारिक सौर ईंधन अनुप्रयोगों की संभावना दिखती है।

वैश्विक प्रतिस्पर्धा तेज

चीनी शोधकर्ताओं की यह सफलता ऐसे समय आई है, जब व्यावहारिक सौर ईंधन प्रौद्योगिकियां विकसित करने की अंतरराष्ट्रीय प्रतिस्पर्धा तेज हो रही है। दुनिया भर के शोधकर्ता वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड को उपयोगी ऊर्जा वाहकों में बदलने के अलग-अलग तरीके आजमा रहे हैं। इनकी तकनीकी रणनीतियां और लक्षित उपयोग भी अलग-अलग हैं। समानांतर रूप से हो रही ये प्रगतियां बताती हैं कि दशकों के प्रयोगशाला अनुसंधान के बाद यह प्रौद्योगिकी व्यावसायिक उपयोग के करीब पहुंच रही है।

स्विट्जरलैंड में ईटीएच ज्यूरिख के प्रोफेसर एल्डो स्टाइनफेल्ड के नेतृत्व में वैज्ञानिकों ने एक औद्योगिक संयंत्र बनाया है, जो आसपास की हवा से सीधे कार्बन डाइऑक्साइड और पानी निकालता है। यह संयंत्र केंद्रित सौर ऊर्जा से इन पदार्थों को अलग करके सिंथेसिस गैस बनाता है। हाइड्रोजन और कार्बन मोनोऑक्साइड के इस मिश्रण को आगे संसाधित कर केरोसिन और मेथनॉल बनाया जाता है। इस सौर केरोसिन को जलाने पर उतनी ही कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है, जितनी इसके उत्पादन के दौरान अवशोषित की गई थी। इस तरह यह कार्बन-तटस्थ है। यह प्रौद्योगिकी व्यावसायिक इस्तेमाल के लिए पर्याप्त रूप से आगे बढ़ चुकी है। जर्मनी में औद्योगिक पैमाने के उत्पादन संयंत्र के लिए धन जुटा लिया गया है, जिससे इस प्रक्रिया की आर्थिक व्यवहार्यता का प्रदर्शन होने की उम्मीद है।

जापानी शोधकर्ताओं ने भी एक अलग तरीके से दक्षता के पुराने रिकॉर्ड तोड़े हैं। इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो और हिरोशिमा यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने सीसे पर आधारित एक नया ऑक्सीहैलाइड फोटोकैटेलिस्ट विकसित किया है, जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में हाइड्रोजन उत्पादन गतिविधि को 60 गुना तक बढ़ाता है। यह पदार्थ हाइड्रोजन उत्पादन के लिए लगभग 15 प्रतिशत और कार्बन डाइऑक्साइड को तरल ईंधन फॉर्मिक एसिड में बदलने के लिए 10 प्रतिशत की रिकॉर्ड क्वांटम दक्षता हासिल करता है। शोध का सह-नेतृत्व करने वाले प्रोफेसर काज़ुहिको मैदा ने संरचनात्मक सुधारों का महत्व बताया।

यह अध्ययन फोटोकैटेलिस्ट के रूप में ऑक्सीहैलाइड की पूरी क्षमता हासिल करने के लिए उनकी आकृति को नियंत्रित करने के महत्व को रेखांकित करता है।

इस बीच, कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक सौर ऊर्जा से चलने वाला फ्लो रिएक्टर विकसित किया है, जो विशेष फिल्टरों की मदद से सीधे वायुमंडल से कार्बन डाइऑक्साइड पकड़ता है। यह उपकरण रात में कार्बन डाइऑक्साइड सोखता है और सूर्य का प्रकाश पड़ने पर उसे सिंथेसिस गैस में बदल देता है। इसे बाहरी ऊर्जा स्रोतों, केबलों या बैटरियों की जरूरत नहीं होती। एक दर्पण रासायनिक प्रतिक्रिया चलाने के लिए सूर्य के प्रकाश को केंद्रित करता है। यह विकेंद्रीकृत तरीका बिजली ग्रिड से जुड़े बिना दूरदराज के इलाकों में ईंधन बनाने में मदद कर सकता है।

भारतीय वैज्ञानिकों ने भी इस वैश्विक प्रयास में योगदान दिया है। चेन्नई के हिंदुस्तान इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी एंड साइंस के प्रोफेसर इंद्रजीत शॉ ने जिंक और सल्फर पर आधारित एक ऐसा पदार्थ विकसित किया है, जो सूर्य का प्रकाश सोखकर कार्बन डाइऑक्साइड को ईंधन के एक घटक एसीटैल्डिहाइड में बदलता है। यह प्रणाली विशेष प्रकाश उपकरणों के बजाय सामान्य सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके पिछले तरीकों से लगभग 200 गुना अधिक कुशलता से काम करती है। प्रोफेसर शॉ ने शोध के व्यावहारिक उद्देश्यों पर जोर दिया।

यह शोध धरती की मदद के व्यावहारिक तरीके खोजने के बारे में है, न कि केवल वैज्ञानिक प्रगति के बारे में।

इन प्रगतियों का अंतरराष्ट्रीय स्वरूप बताता है कि कई स्वतंत्र तरीकों से सौर ईंधन प्रौद्योगिकी परिपक्व हो रही है। इससे कम से कम एक तरीके के व्यावसायिक रूप से सफल होने की संभावना बढ़ती है।

विमानन और जहाजरानी पर ध्यान

इन प्रौद्योगिकियों का संभावित उपयोग पारंपरिक परिवहन से आगे उन क्षेत्रों तक फैला है, जहां विद्युतीकरण विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण है। विमानन, जहाजरानी और भारी उद्योग अपनी उच्च ऊर्जा सघनता और मौजूदा बुनियादी ढांचे के अनुकूल होने के कारण तरल हाइड्रोकार्बन ईंधनों पर काफी निर्भर हैं। इन क्षेत्रों से वैश्विक कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन का बड़ा हिस्सा होता है, लेकिन इन्हें बैटरी से चलने वाली बिजली या हाइड्रोजन ईंधन सेल पर आसानी से नहीं बदला जा सकता।

विमानन क्षेत्र में कार्बन उत्सर्जन घटाना खास तौर पर चुनौतीपूर्ण है। विमानों को उचित वजन और उड़ान दूरी बनाए रखने के लिए बेहद अधिक ऊर्जा सघनता वाले ईंधन की जरूरत होती है। मौजूदा बैटरी तकनीक लंबी दूरी की उड़ानों के लिए पर्याप्त ऊर्जा संचित नहीं कर सकती। इतनी ऊर्जा के लिए बैटरियों का वजन इतना बढ़ जाएगा कि व्यावसायिक उड़ानें अव्यावहारिक हो जाएंगी। विमानन उद्योग से फिलहाल मानवीय गतिविधियों के कारण होने वाले वैश्विक कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन का लगभग 3 प्रतिशत निकलता है। 2035 तक सालाना यात्रियों की संख्या 7.5 अरब के करीब पहुंचने के साथ यह आंकड़ा बढ़ने का अनुमान है।

सौर ऊर्जा से बने ईंधन एक प्रभावी समाधान देते हैं, क्योंकि इन्हें पारंपरिक जीवाश्म ईंधन की जगह सीधे इस्तेमाल किया जा सकता है। कार्बन डाइऑक्साइड और सूर्य के प्रकाश से बना केरोसिन बिना बदलाव के मौजूदा विमान इंजनों को चला सकता है, जबकि मेथनॉल का उपयोग जहाजों के ईंधन या दवा उत्पादन के लिए रासायनिक कच्चे पदार्थ के रूप में किया जा सकता है। इन ईंधनों को जलाने पर केवल वही कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है, जिसे इनके उत्पादन के दौरान पकड़ा गया था। इससे कार्बन का बंद चक्र बनता है, जो मौजूदा ईंधन वितरण व्यवस्था का उपयोग करते हुए वातावरण में नई ग्रीनहाउस गैसें नहीं जोड़ता।

इंटरनेशनल एयर ट्रांसपोर्ट एसोसिएशन ने 2050 तक शुद्ध शून्य कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन हासिल करने के लिए टिकाऊ विमानन ईंधनों को जरूरी बताया है। इंटरनेशनल एनर्जी एजेंसी का अनुमान है कि ऐसे ईंधन 2030 तक विमानन ईंधन की मांग का 10 प्रतिशत और 2040 तक करीब 20 प्रतिशत पूरा कर सकते हैं। हालांकि, फिलहाल कुल खपत में टिकाऊ ईंधनों का हिस्सा 0.1 प्रतिशत से भी कम है। इससे पता चलता है कि प्रयोगशाला और प्रायोगिक स्तर पर तकनीक साबित होने के बावजूद इन लक्ष्यों को पूरा करने के लिए उत्पादन का कितना बड़े पैमाने पर विस्तार करना होगा।

व्यावसायिक उपयोग की बाधाएं

वैज्ञानिक क्षेत्र में उल्लेखनीय प्रगति के बावजूद, सौर ईंधन प्रौद्योगिकियों को व्यापक रूप से अपनाने में बड़ी बाधाएं हैं। व्यावसायिक व्यवहार्यता के रास्ते में लागत सबसे बड़ी बाधा है। स्विस शोधकर्ताओं का अनुमान है कि बड़े पैमाने पर उत्पादित सौर केरोसिन की कीमत 1.35 डॉलर से 2.20 डॉलर प्रति लीटर के बीच होगी। यह पारंपरिक जेट ईंधन के साथ प्रतिस्पर्धा करने की दिशा में प्रगति है, लेकिन औद्योगिक पैमाने के संयंत्रों के लिए शुरुआती निवेश बहुत अधिक है। इससे संयंत्र स्थापित करना जटिल होता है और शुरुआती निवेशकों के सामने जोखिम पैदा होते हैं।

भौगोलिक सीमाएं भी उत्पादन की संभावना को घटाती हैं। सौर ईंधन बनाने के लिए भरपूर धूप चाहिए, इसलिए रेगिस्तानी इलाके संयंत्र लगाने के लिए बेहतर हैं। हालांकि, दूरस्थ रेगिस्तानी क्षेत्रों में बने ईंधन को बड़े परिवहन केंद्रों तक पहुंचाने के लिए बुनियादी ढांचे में बड़े निवेश और बेहतर लॉजिस्टिक समन्वय की जरूरत होगी। जैव ईंधन के विपरीत, जो अक्सर कृषि भूमि के लिए खाद्य उत्पादन से प्रतिस्पर्धा करते हैं, सौर ईंधन गैर-कृषि योग्य रेगिस्तानी इलाकों में बनाए जा सकते हैं। इससे फसलों और पशुधन के लिए उपजाऊ जमीन बची रहती है और तेज सौर विकिरण वाले क्षेत्रों का उपयोग भी होता है।

रूपांतरण दक्षता और प्रणाली की टिकाऊ क्षमता बढ़ाने की तकनीकी चुनौतियां अब भी बनी हुई हैं। हाल की सफलताएं पिछली प्रौद्योगिकियों की तुलना में बड़ी प्रगति हैं, लेकिन मौजूदा प्रणालियां उपलब्ध सौर ऊर्जा के केवल एक हिस्से को रासायनिक बंधों में बदल पाती हैं। तुलना के लिए, प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण लगभग 1 प्रतिशत दक्षता से काम करता है, जबकि Science में प्रकाशित शोध के मुताबिक हाल के प्रयोगशाला परीक्षणों में कुछ खास प्रतिक्रिया चरणों के लिए यह दर 13 से 15 प्रतिशत तक पहुंची है। आगे के शोध में अधिक कुशल उत्प्रेरक विकसित करने, चार्ज को अलग करने की प्रक्रिया सुधारने और ऐसी प्रणालियां बनाने पर ध्यान देना होगा, जो नियंत्रित प्रयोगशालाओं में स्थिर तापमान और आर्द्रता के बजाय वास्तविक परिस्थितियों में भी भरोसेमंद ढंग से काम करें।

प्रयोगशाला की सफलता और व्यावसायिक उपयोग के बीच की दूरी पाटने के लिए नीतिगत समर्थन बेहद अहम दिखता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि कोटा प्रणाली लागू की जाए, जिसके तहत एयरलाइनों को अपने ईंधन का तय अनुपात टिकाऊ स्रोतों से लेना अनिवार्य हो। इससे मांग की गारंटी मिलेगी और बुनियादी ढांचे में निवेश को प्रोत्साहन मिलेगा। ऐसे नियामक ढांचे उत्पादन बढ़ाकर लागत घटाने की प्रक्रिया तेज कर सकते हैं। इसका उदाहरण सौर फोटोवोल्टिक पैनलों और पवन टर्बाइनों की लागत में पिछले दो दशकों के दौरान हुई सफल कमी है।

मुख्य बातें

• चीनी वैज्ञानिकों ने चांदी से संशोधित टंगस्टन ट्राइऑक्साइड का इस्तेमाल करते हुए पौधों से प्रेरित एक प्रणाली विकसित की है, जो सूर्य के प्रकाश से कार्बन डाइऑक्साइड और पानी को ईंधन के कच्चे पदार्थों में बदलती है। यह शोध Nature Communications में प्रकाशित हुआ है।
• इस प्रौद्योगिकी में चार्ज-भंडार रणनीति से रासायनिक प्रतिक्रियाएं चलाने के लिए विद्युत ऊर्जा संचित की जाती है और टिकाऊ न होने वाले बलिदानी अभिकर्मकों की जरूरत खत्म हो जाती है।
• स्विट्जरलैंड, जापान, ब्रिटेन और भारत में समानांतर शोध प्रयासों के तहत अलग-अलग तरीकों और दक्षता स्तरों वाली सौर ईंधन प्रौद्योगिकियां विकसित की जा रही हैं।
• सौर ईंधन विमानन और जहाजरानी से कार्बन उत्सर्जन घटाने की खास संभावना रखते हैं। उच्च ऊर्जा सघनता की जरूरत के कारण इन क्षेत्रों का विद्युतीकरण कठिन है।
• सौर केरोसिन की मौजूदा अनुमानित लागत 1.35 डॉलर से 2.20 डॉलर प्रति लीटर है। बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए बुनियादी ढांचे में बड़े निवेश की जरूरत होगी।
• इंटरनेशनल एनर्जी एजेंसी का अनुमान है कि उत्पादन बढ़ाने की चुनौतियां दूर होने पर टिकाऊ विमानन ईंधन 2030 तक मांग का 10 प्रतिशत और 2040 तक 20 प्रतिशत पूरा कर सकते हैं।