सभ्यता से भी अधिक समय तक चलने वाला ऊर्जा स्रोत
कल्पना कीजिए एक ऐसे उपकरण की, जिसे कभी चार्ज करने की जरूरत न पड़े। आपके पूरे जीवन में एक बार भी नहीं। न आपके बच्चों के जीवनकाल में, न पोते-पोतियों के, यहां तक कि परपोते-परपोतियों के जीवनकाल में भी नहीं। यह कल्पना दिसंबर 2024 में विज्ञान-कथा से निकलकर प्रयोगशाला की हकीकत बन गई, जब ब्रिस्टल विश्वविद्यालय और यूके एटॉमिक एनर्जी अथॉरिटी के शोधकर्ताओं ने एक ऐसा प्रोटोटाइप पेश किया, जो ऊर्जा भंडारण के बारे में हमारी तमाम धारणाओं को चुनौती देता है।
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कार्बन-14 डायमंड बैटरी रेडियोधर्मी क्षय के जरिए बिजली पैदा करती है और इसकी अर्ध-आयु 5,700 साल है। इसका मतलब है कि लगभग छह सहस्राब्दियों बाद भी यह उपकरण अपनी मूल बिजली उत्पादन क्षमता का आधा बनाए रखेगा। यह समय प्राचीन सभ्यताओं और आधुनिक तकनीक के बीच की दूरी पाटने के लिए काफी है। लिथियम-आयन बैटरियां जहां कुछ ही वर्षों में कमजोर पड़ जाती हैं और सौर पैनलों को धूप की जरूरत होती है, वहीं यह ऊर्जा स्रोत पृथ्वी पर ज्ञात सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ के भीतर सीलबंद होकर लगातार काम करता है।
ब्रिस्टल विश्वविद्यालय में मैटेरियल्स के प्रोफेसर टॉम स्कॉट इस नवाचार के पीछे काम कर रही टीम का नेतृत्व करते हैं। उनका शोध समूह रेडियोधर्मी पदार्थों को उपयोगी ऊर्जा स्रोतों में बदलने के तरीके विकसित करने में वर्षों से जुटा है। इसका नतीजा यह प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट उपकरण है, जो दुर्गम जगहों पर उपकरणों को ऊर्जा देने के हमारे नजरिए को नया रूप दे सकता है। यह घोषणा परमाणु सामग्री अनुसंधान में एक अहम पड़ाव है और दिखाती है कि विखंडन रिएक्टरों के अपशिष्ट पदार्थ बोझ नहीं, बल्कि उपयोगी संसाधन बन सकते हैं।
इस बैटरी की उम्र ऊर्जा भंडारण की पारंपरिक समझ को चुनौती देती है। आधुनिक रिचार्जेबल बैटरियां आमतौर पर क्षमता में उल्लेखनीय गिरावट आने से पहले 500 से 1,000 बार चार्ज होती हैं। इसके उलट, हीरे पर आधारित यह उपकरण तब भी उपयोगी बिजली देता रहेगा, जब आज के ऐतिहासिक अभिलेख पुरातात्विक जिज्ञासा भर रह जाएंगे। कार्बन-14 के क्षय के पीछे का भौतिक विज्ञान घड़ी जैसी भरोसेमंद निरंतरता देता है, जिसकी बराबरी रासायनिक बैटरियां नहीं कर सकतीं।
यह स्थिरता इस तकनीक को उन कामों के लिए खास तौर पर उपयोगी बनाती है, जहां खराबी की गुंजाइश नहीं और रखरखाव असंभव है। यह प्रोटोटाइप बैटरी रसायन में महज मामूली सुधार नहीं, बल्कि इस बात की बुनियादी नई कल्पना है कि घंटों के बजाय सदियों के पैमाने पर उपकरणों को ऊर्जा कैसे दी जा सकती है।
रेडियोधर्मी क्षय से बिजली कैसे बनती है
इस बैटरी की कार्यप्रणाली समझने के लिए सौर पैनलों के सिद्धांत पर गौर करें। पारंपरिक फोटोवोल्टिक सेल फोटॉन नामक प्रकाश कणों से ऊर्जा लेकर उसे बिजली में बदलते हैं। डायमंड बैटरी बीटा-वोल्टाइक नाम के इसी तरह के सिद्धांत पर काम करती है, लेकिन सूरज की रोशनी के बजाय यह क्षय होते कार्बन-14 परमाणुओं से निकलने वाले तेज गति के इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करती है।
कार्बन-14 एक रेडियोधर्मी समस्थानिक है, जो पुरातत्व के लिए प्रसिद्ध है। वैज्ञानिक इसकी अनुमानित क्षय दर का इस्तेमाल प्राचीन जैविक पदार्थों की उम्र पता लगाने में करते हैं। क्षय के दौरान यह समस्थानिक कम दूरी तक जाने वाला बीटा विकिरण उत्सर्जित करता है और उच्च-ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन छोड़ता है। डायमंड बैटरी में कार्बन-14 को कृत्रिम रूप से उगाई गई हीरे की परतों के भीतर रखा जाता है। समस्थानिक के क्षय से निकलने वाले बीटा कणों को हीरे के अर्धचालक गुण विद्युत धारा में बदल देते हैं।
हीरे की संरचना दो काम करती है: बिजली पैदा करती है और अभेद्य विकिरण कवच का काम करती है। कार्बन-14 केवल कम दूरी तक जाने वाला विकिरण उत्सर्जित करता है, इसलिए हीरे का आवरण सभी संभावित रूप से हानिकारक उत्सर्जनों को भीतर ही सोख लेता है। सामान्य संचालन के दौरान उपकरण से कोई विकिरण बाहर नहीं निकलता, जिससे यह चिकित्सकीय प्रत्यारोपण और उपभोक्ता इस्तेमाल के लिए सुरक्षित है।
यूकेएईए में ट्रिटियम ईंधन चक्र की निदेशक सारा क्लार्क ने इस तकनीक की सुरक्षा व्यवस्था समझाई।
डायमंड बैटरियां लगातार माइक्रोवॉट स्तर की बिजली देने का सुरक्षित और टिकाऊ तरीका हैं। यह उभरती हुई तकनीक है, जिसमें कार्बन-14 की थोड़ी मात्रा को सुरक्षित रूप से बंद रखने के लिए कृत्रिम हीरे का इस्तेमाल किया जाता है।
प्रोटोटाइप बैटरियां लगभग 10 मिलीमीटर लंबी और 10 मिलीमीटर चौड़ी हैं, जबकि उनकी मोटाई 0.5 मिलीमीटर तक है। यह छोटा आकार लगातार माइक्रोवॉट स्तर की बिजली देता है, जो कम ऊर्जा वाले उपकरणों के लिए पर्याप्त है, लेकिन स्मार्टफोन या इलेक्ट्रिक वाहनों की जरूरत से काफी कम है।
परमाणु कचरे को ऊर्जा में बदलना
इस तकनीक का शायद सबसे आकर्षक पहलू इसका कच्चा माल है। इन बैटरियों में इस्तेमाल होने वाला कार्बन-14 परमाणु विखंडन रिएक्टरों से निकाले गए ग्रेफाइट ब्लॉकों से आता है। अन्यथा इस सामग्री को रेडियोधर्मी कचरे के रूप में लंबे समय तक महंगे भंडारण में रखना पड़ता। अकेले यूनाइटेड किंगडम में इन ग्रेफाइट ब्लॉकों का भंडार लगभग 95,000 टन है, जो भंडारण की चुनौती के साथ-साथ एक अप्रयुक्त संसाधन भी है।
रिएक्टर के ग्रेफाइट से कार्बन-14 निकालकर वैज्ञानिक परमाणु कचरे की मात्रा घटाते हैं और साथ ही ऊर्जा का एक मूल्यवान स्रोत बनाते हैं। इस प्रक्रिया में रेडियोधर्मी पदार्थ को प्लाज्मा-संवर्धित रासायनिक वाष्प जमाव के जरिए उगाए गए सिंथेटिक हीरे के भीतर रखा जाता है। यूकेएईए के कल्हम कैंपस के इंजीनियरों ने इन हीरे की परतों को सटीकता से बनाने के लिए खास प्लाज्मा जमाव उपकरण तैयार किया। इससे रेडियोधर्मी पदार्थ सुरक्षित रूप से अपनी जगह बंद रहता है और ऊर्जा का अधिकतम उपयोग होता है।
यह निर्माण तकनीक सीधे तौर पर संलयन ऊर्जा अनुसंधान से विकसित हुई है। टोकामक रिएक्टरों के लिए मूल रूप से विकसित रेडियोधर्मी पदार्थों को संभालने, प्लाज्मा जमाव और विशेष अर्धचालक निर्माण में यूकेएईए की विशेषज्ञता डायमंड बैटरी परियोजना में काम आई। यह सहयोग दिखाता है कि बुनियादी भौतिकी अनुसंधान में निवेश से किस तरह अप्रत्याशित व्यावहारिक उपयोग सामने आ सकते हैं।
ब्रिस्टल विश्वविद्यालय में ऊर्जा के लिए सामग्री के प्रोफेसर नील फॉक्स ने हीरे के आवरण की सुरक्षा क्षमता पर जोर दिया।
हीरा मनुष्य को ज्ञात सबसे कठोर पदार्थ है; सचमुच ऐसा कुछ भी नहीं है जिसका इस्तेमाल इससे बेहतर सुरक्षा देने के लिए किया जा सके।
जब बैटरी आखिरकार अपने कामकाजी जीवन के अंत तक पहुंचेगी, तो उसे नियंत्रित पुनर्चक्रण या निपटान के लिए निर्माता को लौटाया जा सकता है। पूरे जीवनचक्र के दौरान कार्बन-14 सुरक्षित रूप से बंद रहता है, जिससे ऊर्जा की जरूरतों के साथ पर्यावरण संबंधी चिंताओं का भी समाधान होता है। एक ग्राम कार्बन-14 रोजाना 15 जूल बिजली दे सकता है और पारंपरिक बैटरियों से सदियों अधिक समय तक चल सकता है।
जहां लंबी उम्र, बिजली क्षमता से अधिक अहम है
डायमंड बैटरी माइक्रोवॉट स्तर की बिजली देती है, जो स्मार्टफोन या इलेक्ट्रिक वाहनों की जरूरत से बहुत कम है। लेकिन कुछ खास स्थितियों में यह सीमा ही इसका फायदा बन जाती है, जहां कच्ची बिजली क्षमता से ज्यादा महत्व लंबी उम्र और भरोसेमंद कामकाज का है। यह तकनीक उन जगहों पर सबसे बेहतर काम करती है, जहां बैटरी बदलना खतरनाक, महंगा या असंभव हो।
चिकित्सकीय प्रत्यारोपण इसके सबसे आशाजनक उपयोगों में से एक हैं। मौजूदा पेसमेकर, श्रवण यंत्र और आंखों के उपकरण पारंपरिक बैटरियों पर निर्भर हैं, जिन्हें हर पांच से दस साल में सर्जरी करके बदलना पड़ता है। हर बार बैटरी बदलने की प्रक्रिया में संक्रमण, जटिलताओं और स्वस्थ होने में लगने वाले समय का जोखिम रहता है। डायमंड बैटरी इन उपकरणों को मरीज की पूरी जिंदगी ऊर्जा दे सकती है, जिससे बार-बार के ऑपरेशन खत्म होंगे और स्वास्थ्य सेवा की लागत घटेगी। दूरदराज के इलाकों में, जहां चिकित्सा सुविधाओं तक पहुंच सीमित है, यह लंबी उम्र मरीजों की जिंदगी बदल सकती है।
अंतरिक्ष अन्वेषण भी इसके लिए स्वाभाविक उपयोग क्षेत्र है। गहरे अंतरिक्ष में भेजे गए यान और उपग्रह तब संपर्क खो देते हैं, जब सौर पैनलों को पर्याप्त धूप नहीं मिलती या पारंपरिक बैटरियां खत्म हो जाती हैं। पृथ्वी से सबसे दूर मानव-निर्मित वस्तु वॉयजर 1 सीमित उम्र वाली पारंपरिक परमाणु बैटरियों पर निर्भर है। कार्बन-14 ऊर्जा स्रोत उपकरणों और संचार प्रणालियों को दशकों या सदियों तक चालू रख सकता है, जिससे आज की तकनीकी सीमाओं से कहीं आगे तक जाने वाले मिशन संभव होंगे।
अंतरिक्ष यानों या पेलोड पर लगे रेडियो फ्रीक्वेंसी टैग हजारों साल तक खोजे जा सकेंगे। इससे परिचालन लागत घटेगी और मिशन की उम्र बढ़ेगी। यह बैटरी बिना खुद-ब-खुद चार्ज गंवाए माइनस 60 डिग्री सेल्सियस से प्लस 120 डिग्री सेल्सियस तक के अत्यधिक तापमान में प्रभावी ढंग से काम करती है, इसलिए यह कठिन परिस्थितियों के लिए उपयुक्त है।
पृथ्वी पर दूरदराज के उपयोगों में आर्कटिक निगरानी केंद्र, तेल और गैस ढांचे के लिए समुद्र के नीचे लगे सेंसर और दुर्गम जगहों पर सुरक्षा उपकरण शामिल हैं। दशकों तक बिना निगरानी के काम करने वाली कोई भी प्रणाली इस तकनीक की संभावित उम्मीदवार है। सक्रिय रेडियो फ्रीक्वेंसी टैग पृथ्वी पर या अंतरिक्ष में उपकरणों की पहचान कर सकते हैं और दशकों तक उनका पता लगा सकते हैं। इससे लागत घटेगी और परिचालन अवधि बढ़ेगी।
परमाणु बैटरियों की वैश्विक होड़
ब्रिस्टल और यूकेएईए ने कार्बन-14 का पहला प्रोटोटाइप बनाकर सुर्खियां बटोरीं, लेकिन परमाणु बैटरियों पर काम करने वाले वे अकेले नहीं हैं। इस तकनीक ने अंतरराष्ट्रीय प्रतिस्पर्धा को जन्म दिया है। चीन, अमेरिका और यूरोप की शोध टीमें अलग-अलग रेडियोधर्मी समस्थानिकों का इस्तेमाल कर ऐसे ही उपकरणों को बाजार में उतारने की होड़ में हैं।
चीन की बीजिंग बेटावोल्ट न्यू एनर्जी टेक्नोलॉजी ने कार्बन-14 के बजाय निकल-63 का इस्तेमाल करने वाला प्रतिस्पर्धी डिजाइन पेश किया। 2024 की शुरुआत में सामने आई उनकी बीवी100 बैटरी का आकार 15 मिलीमीटर गुणा 15 मिलीमीटर गुणा 5 मिलीमीटर है और यह 3 वोल्ट पर 100 माइक्रोवॉट बिजली पैदा करती है। निकल-63 पर आधारित इस तकनीक की उम्र 50 साल है, जो कार्बन-14 से काफी कम है। हालांकि, बेटावोल्ट की योजना इस साल के अंत में एक वॉट वाला संस्करण पेश करने की है, जो सीरीज कनेक्शन के जरिए उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स को बिजली दे सकेगा।
कैलिफोर्निया की इन्फिनिटी पावर ने भी 2024 में इस होड़ में कदम रखा। वह बेटावोल्ट जैसे तरीके पर आधारित निकल-63 कॉइन सेल विकसित कर रही है। इस बीच, दक्षिण कोरिया के डेगू ग्योंगबुक इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने कार्बन और हाइड्रोजन के समस्थानिकों समेत अलग-अलग रेडियो समस्थानिकों वाली बीटा-वोल्टाइक कोशिकाओं पर प्रयोग किए हैं।
खास तौर पर लंबी अवधि के उपयोगों में ब्रिस्टल की टीम के पास एक अलग बढ़त है। निकल-63 बैटरियां दशकों तक चल सकती हैं और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए उपयुक्त हैं, जबकि कार्बन-14 की 5,700 साल की अर्ध-आयु उन बेहद लंबी अवधि के कामों के लिए एक बिल्कुल अलग मूल्य देती है, जहां रखरखाव असंभव है। प्रोफेसर स्कॉट ने कार्बन-14 तकनीक के लिए औद्योगिक साझेदारियां विकसित करने और बाजार की संभावनाएं परखने के मकसद से व्यावसायिक उपक्रम आर्केनलाइट की स्थापना की।
चीन का जोर एयरोस्पेस, कृत्रिम बुद्धिमत्ता के उपकरणों और सूक्ष्म रोबोटों के लिए निकट भविष्य में व्यावसायीकरण पर है। वहीं, ब्रिटेन की टीम चिकित्सकीय उपकरणों और गहरे अंतरिक्ष के उन उपयोगों पर ध्यान दे रही है, जिनमें असाधारण रूप से लंबी उम्र की जरूरत है। दोनों ही तरीकों का साझा लक्ष्य महत्वपूर्ण प्रणालियों में बैटरी के रखरखाव और बदलाव की जरूरत खत्म करना है।
बाजार तक पहुंचने की चुनौतियां
डायमंड बैटरियों के चिकित्सकीय उपकरणों या अंतरिक्ष यानों में इस्तेमाल से पहले बड़ी बाधाएं दूर करनी होंगी। शुद्ध कार्बन-14 हीरा बनाने के लिए जरूरी गैसीय कच्चे माल की कीमत लगभग 46,000 डॉलर प्रति लीटर है, जिससे बड़े पैमाने पर उत्पादन आर्थिक चुनौती बन जाता है। निर्माण के लिए खास स्थिर-प्रवाह रासायनिक वाष्प जमाव रिएक्टरों की जरूरत होती है, जिन्हें सक्रिय रेडियोधर्मी पदार्थ संभालने वाली सुविधाओं में स्थापित करना पड़ता है। इससे उत्पादन क्षमता सीमित हो जाती है।
नियामक मंजूरी एक और जटिल बाधा है। हीरे के आवरण में सामग्री बंद होने से सुरक्षा प्रमाणन अन्य परमाणु तकनीकों की तुलना में आसान हो सकता है, लेकिन रेडियोधर्मी पदार्थ वाला हर उपकरण व्यापक जांच और निगरानी की मांग करता है। चिकित्सकीय उपयोगों के लिए यह सुनिश्चित करने हेतु खास तौर पर कड़े मानक हैं कि प्रत्यारोपण के दशकों बाद भी मरीज सुरक्षित रहें।
जनता की धारणा भी इसे अपनाए जाने की संभावनाओं पर असर डालती है। सीलबंद कार्बन-14 तकनीकी रूप से सुरक्षित होने के बावजूद "रेडियोधर्मी" शब्द से जुड़ी छवि उपभोक्ता बाजारों में इसे स्वीकार किए जाने में बाधा बन सकती है। व्यापक इस्तेमाल के लिए सुरक्षा आवरण और विकिरण सुरक्षा के बारे में पारदर्शी जानकारी देना अहम होगा।
प्रोफेसर स्कॉट को निरंतर शोध के जरिए इन चुनौतियों से पार पाने की उम्मीद है। उन्होंने अगले दशक के लिए विकास की समयसीमा बताई।
हमारी माइक्रोपावर तकनीक अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी और सुरक्षा उपकरणों से लेकर चिकित्सकीय प्रत्यारोपण तक कई अहम उपयोगों में काम आ सकती है। हम उद्योग और अनुसंधान के साझेदारों के साथ मिलकर अगले कुछ वर्षों में इन सभी संभावनाओं को तलाशने के लिए उत्साहित हैं। हम मानव जाति की उन्नति के लिए इस तकनीक का इस्तेमाल करना चाहते हैं।
आने वाले दशक में उत्पादन बढ़ाने और बिजली क्षमता बेहतर करने पर ध्यान रहेगा। बड़े पैमाने पर निर्माण सफल होने से लागत घट सकती है और विशेष चिकित्सकीय तथा एयरोस्पेस क्षेत्रों से आगे भी इसका इस्तेमाल बढ़ सकता है।
मुख्य बातें
- ब्रिस्टल विश्वविद्यालय और यूके एटॉमिक एनर्जी अथॉरिटी के शोधकर्ताओं ने दिसंबर 2024 में दुनिया की पहली कार्बन-14 डायमंड बैटरी बनाई
- बैटरी 5,700 साल की अर्ध-आयु वाले कार्बन-14 के रेडियोधर्मी क्षय का इस्तेमाल करती है और हजारों साल तक लगातार माइक्रोवॉट बिजली देती है
- कार्बन-14 परमाणु रिएक्टरों के ग्रेफाइट ब्लॉकों से निकाला जाता है, जिससे रेडियोधर्मी कचरे को सीलबंद ऊर्जा स्रोत में बदला जाता है
- सिंथेटिक हीरा अर्धचालक और विकिरण कवच, दोनों का काम करता है। यह बिजली बनाते हुए सभी उत्सर्जित कणों को सोख लेता है
- इसके उपयोगों में चिकित्सकीय प्रत्यारोपण (पेसमेकर, श्रवण यंत्र), गहरे अंतरिक्ष के यान, दूरदराज के सेंसर और आरएफ ट्रैकिंग टैग शामिल हैं
- चीन (बेटावोल्ट) और अमेरिका की प्रतिस्पर्धी तकनीकें निकल-63 का इस्तेमाल करती हैं। उनकी उम्र कम है, लेकिन उनका व्यावसायीकरण निकट भविष्य में हो सकता है
- व्यावसायिक स्तर पर उत्पादन के लिए निर्माण प्रक्रिया बढ़ाने और नियामक मंजूरी की जरूरत है। फिलहाल कच्ची गैस की कीमत 46,000 डॉलर प्रति लीटर है
