સૂર્યપ્રકાશ, પાણી અને ગ્રીન હાઇડ્રોજન બનાવવાની નવી, વધુ સ્વચ્છ રીત

છોડો કરોડો વર્ષોથી એક અદભૂત રીતે જટિલ પ્રક્રિયા કરતા આવ્યા છે. પાંદડાં સૂર્યપ્રકાશ શોષીને તેની ઊર્જાને રાસાયણિક ઊર્જામાં ફેરવે છે, જેને સંગ્રહીને પછીથી વાપરી શકાય છે.

આ કુદરતી પ્રક્રિયાથી પ્રેરાઈને યુરોપના સંશોધકોની એક ટીમે લગભગ 4 વર્ષ સુધી એવી પ્રણાલી વિકસાવી છે, જે સૂર્યપ્રકાશથી પાણીનું વિભાજન કરીને ગ્રીન હાઇડ્રોજન બનાવે છે. તેને સંગ્રહીને પછીથી ઊર્જાના સ્રોત તરીકે વાપરી શકાય છે.

આ સંશોધનનું નેતૃત્વ કરનારા આયર્લેન્ડની યુનિવર્સિટી કોલેજ કૉર્કના વરિષ્ઠ વૈજ્ઞાનિક ડૉ. આલ્બે ઓ માનખાન માટે શરૂઆતનો મુદ્દો દેખાવમાં સરળ લાગતો એક પ્રશ્ન હતો: શું એક જ, ફરી વાપરી શકાય તેવી, કાર્બન-મુક્ત બહુ-સેલ પ્રણાલી દ્વારા સૂર્યપ્રકાશને સીધો ગ્રીન હાઇડ્રોજનમાં ફેરવી શકાય?

EUના ભંડોળથી ચાલેલા FreeHydroCells પ્રોજેક્ટ હેઠળ થયેલા આ કામમાં આયર્લેન્ડ, ફ્રાન્સ, જર્મની અને ઇટાલીના સંશોધકો સાથે આવ્યા હતા.

તેમણે કહ્યું, “પાંદડાં સૂર્યપ્રકાશને કેવી રીતે શોષે છે તેમાંથી પ્રેરણા લઈને અમે સ્વચ્છ ઊર્જા બનાવવાની વધુ કાર્યક્ષમ અને ઓછા ખર્ચવાળી રીત વિકસાવવા માગતા હતા.”

સૂર્યપ્રકાશથી હાઇડ્રોજન

યુરોપ અશ્મિભૂત ઇંધણથી દૂર જઈ રહ્યું છે ત્યારે આ પરિવર્તનમાં હાઇડ્રોજન મહત્ત્વની ભૂમિકા ભજવે તેવી અપેક્ષા છે.

પરંતુ પુનઃપ્રાપ્ય ઊર્જાથી હાઇડ્રોજન બનાવવું સરળ નથી. કહેવાતા ગ્રીન હાઇડ્રોજનની પરંપરાગત રીતમાં પુનઃપ્રાપ્ય વીજળીથી ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર ચલાવવામાં આવે છે, જે પછી પાણીને હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજનમાં વિભાજિત કરે છે. આ માટે વીજળી બનાવવા અને પાણીનું વિભાજન કરવા અલગ-અલગ પ્રણાલીઓ જરૂરી છે.

“પાંદડાં સૂર્યપ્રકાશને કેવી રીતે શોષે છે તેમાંથી પ્રેરણા લઈને અમે સ્વચ્છ ઊર્જા બનાવવાની વધુ કાર્યક્ષમ અને ઓછા ખર્ચવાળી રીત વિકસાવવા માગતા હતા.” — આલ્બે ઓ માનખાન, FreeHydroCells

FreeHydroCellsના સંશોધકોએ આ બંને કામને એક જ પ્રણાલીમાં જોડતી વધુ સંકલિત રીતની તપાસ કરી. વિકાસના હજી શરૂઆતના તબક્કામાં રહેલી નવી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીથી શરૂઆત કરીને તેમણે એવી સંપૂર્ણ પ્રણાલી બનાવવાનો પ્રયાસ કર્યો, જે અશ્મિભૂત ઇંધણ પર આધાર રાખ્યા વિના સૂર્યપ્રકાશથી પાણીને હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજનમાં વિભાજિત કરી શકે.

આ માટે તેઓ વિપુલ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ અને ટકાઉ સામગ્રી વાપરીને કાર્યક્ષમતા, પરવડે એવો ખર્ચ અને ટકાઉપણું એકસાથે મેળવવા માગતા હતા. તેઓ એ પણ બતાવવા માગતા હતા કે ટેક્નોલોજીનો વ્યાપ વધારી શકાય છે—નાના સેલથી મોટા સેલ સુધી જઈને આખરે તેમને એક જ કાર્યરત બહુ-સેલ પ્રણાલીમાં જોડી શકાય છે.

પાંદડા જેવી પ્રક્રિયા

સંશોધકો પોતાની ટેક્નોલોજીને પ્રકાશસંશ્લેષણની કૃત્રિમ નકલ કહેવાને બદલે ‘પાંદડા જેવી’ ગણાવે છે. કુદરતી પાંદડું સૂર્યપ્રકાશ, પાણી અને CO 2નો ઉપયોગ કરીને એવી જૈવિક સામગ્રી બનાવે છે જેમાં ઊર્જાનો સંગ્રહ થાય છે. તેના બદલે FreeHydroCells પ્રણાલી સૂર્યપ્રકાશથી કાર્બન-મુક્ત પ્રક્રિયા ચલાવે છે, જે પાણીને હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજનમાં વિભાજિત કરે છે.

જર્મનીના આખેનમાં આવેલી નેનો ટેક્નોલોજી સંશોધન સંસ્થા AMOમાં સેન્સર ટેક્નોલોજી અને ઊર્જા રૂપાંતરણના સંશોધન જૂથોનું નેતૃત્વ કરતા ડૉ. ઉલ્રિખ પ્લાખેટકાએ કહ્યું, “આખરે પાંદડું પણ સૂર્ય ઊર્જાથી ચાલતું જૈવ-રાસાયણિક કારખાનું છે.”

આ પ્રણાલીના કેન્દ્રમાં સૂર્યપ્રકાશ શોષવા માટે બનાવવામાં આવેલા સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના પાતળા થર છે. પૂરતી પ્રકાશ ઊર્જા શોષાય ત્યારે તે વિદ્યુત ચાર્જ પેદા કરે છે. આ ચાર્જને પાણીના સંપર્કવાળા ભાગો સુધી પહોંચાડી શકાય છે, જેથી પાણીના અણુઓનું વિભાજન કરવા જરૂરી ઊર્જા મળે છે.

બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, એ જ સમગ્ર પ્રણાલીની અંદર સૂર્યપ્રકાશને શોષીને હાઇડ્રોજનના રૂપમાં રાસાયણિક ઊર્જામાં ફેરવવામાં આવે છે.

એક સેલથી સંપૂર્ણ પ્રણાલી સુધી

આ વિચાર સાવ નવો નથી. ફોટોઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેલનો અભ્યાસ 5 દાયકાથી વધુ સમયથી થઈ રહ્યો છે, પરંતુ આ વિચારને વ્યવહારુ ટેક્નોલોજીમાં ફેરવવો ઘણો મોટો પડકાર છે.

સંશોધકોએ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી, નેનો ટેક્નોલોજી, પાણીનું વિભાજન અને ઊર્જા રૂપાંતરણ સહિતનાં અલગ-અલગ ક્ષેત્રોની નિષ્ણાતી એકસાથે લાવવી પડી. તેમણે કેટલાક મૂળભૂત વ્યવહારુ પ્રશ્નોનો ઉકેલ પણ શોધવાનો હતો. શું આ ટેક્નોલોજી મોટા વિસ્તારમાં કામ કરી શકે? શું તેના અલગ-અલગ ભાગોને એકીકૃત કરી શકાય? અને શું આ પ્રણાલી ઉત્પાદનને અનુકૂળ પ્રક્રિયાઓથી બનાવી શકાય?

કેટલાંક વર્ષોમાં ટીમ નવી વિકસતી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી અને પ્રયોગશાળાના નાના સેલથી આગળ વધીને મોટા વિસ્તારના બહુસ્તરીય સેલ સુધી અને અંતે પાણીનું વિભાજન કરતી બહુ-સેલ પ્રણાલી સુધી પહોંચી.

સંપૂર્ણ પ્રણાલીના સ્તરે મળેલી આ સિદ્ધિ પ્રોજેક્ટનાં પરિણામોનો મહત્ત્વનો ભાગ છે. સંશોધકોએ માત્ર એક કાર્યરત સેલ બતાવવાને બદલે ભવિષ્યના ઉત્પાદનને ધ્યાનમાં રાખીને અનેક ભાગોને એક મોટી પ્રણાલીમાં એકીકૃત કર્યા છે.

કૃત્રિમ સૂર્યપ્રકાશ હેઠળના પરીક્ષણોમાં સૂર્ય ઊર્જામાંથી હાઇડ્રોજન બનાવવાની કાર્યક્ષમતા આશરે 18–21% જોવા મળી હતી, જે સીધી સૌર જળ-વિભાજન પ્રણાલીઓ માટે મજબૂત પરિણામ છે. પરંપરાગત ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરમાં પહેલાં વીજળી બનાવવી પડે છે અને પછી તેનો ઉપયોગ પાણીનું વિભાજન કરવા થાય છે. તેનાથી અલગ, આ પ્રણાલી બાહ્ય વિદ્યુત બાયસ આપ્યા વિના સીધો શોષાયેલો સૂર્યપ્રકાશ વાપરીને ચાલી હતી.

આ ટેક્નોલોજી હજી ટેક્નોલોજી તૈયારી સ્તર 4 (TRL 4) પર છે. તેનો અર્થ એ છે કે તે પરીક્ષણના શરૂઆતના તબક્કામાં છે અને વ્યાવસાયિક ઉપયોગ માટે તૈયાર ઉત્પાદન નથી. પરંતુ સંશોધકો માટે મોટા વિસ્તારમાં જુદા-જુદા ભાગો સાથે મળીને કામ કરી શકે છે તે બતાવવું એક મહત્ત્વનું પગલું હતું.

સ્વચ્છ હાઇડ્રોજનને વધુ સુલભ બનાવવું

જોકે સંશોધન ટીમ માટે માત્ર કાર્યક્ષમતા પૂરતી નથી. ગ્રીન હાઇડ્રોજનને અશ્મિભૂત ઇંધણનો વ્યવહારુ વિકલ્પ બનાવવા માટે તે પરવડે એવો અને ટકાઉ પણ હોવો જોઈએ તથા દુર્લભ સામગ્રી પરની નિર્ભરતા ટાળવી જોઈએ. FreeHydroCells પ્રણાલી પાતળા થરની ટેક્નોલોજી ઉપરાંત વિપુલ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ, ટકાઉ અને સંભવિત રીતે રિસાઇકલ કરી શકાય તેવી સામગ્રી વાપરે છે.

સંશોધકોએ મોટા વિસ્તારના હળવા ભાગો વિકસાવ્યા છે, જેને ભવિષ્યમાં જોડીને મોડ્યુલર પ્રણાલીઓ બનાવી શકાય. આ ઊર્જા બનાવવા અને સંગ્રહવાની એક અલગ રીત તરફ સંકેત કરે છે. માત્ર મોટી અને કેન્દ્રીકૃત સુવિધાઓ પર સંપૂર્ણ આધાર રાખવાને બદલે જ્યાં હાઇડ્રોજનની જરૂર હોય તેની નજીક જ તેનું ઉત્પાદન સંભવિત રીતે કરી શકાય.

“આખરે પાંદડું પણ સૂર્ય ઊર્જાથી ચાલતું જૈવ-રાસાયણિક કારખાનું છે.” — ઉલ્રિખ પ્લાખેટકા, FreeHydroCells

લાંબા ગાળે સંશોધકો એવી વિકેન્દ્રિત ઊર્જા પ્રણાલીઓની કલ્પના કરે છે, જે ઘરો, વ્યવસાયો અને સમુદાયોને પોતાની પુનઃપ્રાપ્ય ઊર્જા બનાવવા અને સંગ્રહવાની તક આપી શકે. સૂર્યપ્રકાશ ઉપલબ્ધ ન હોય ત્યારે ઊર્જાનો સંગ્રહ કરવામાં મદદ માટે નાની પવન અથવા જળવિદ્યુત પ્રણાલીઓ સૌર ઘટકને સંભવિત રીતે પૂરક બની શકે.

આવી પ્રણાલી અશ્મિભૂત ઇંધણ પરની નિર્ભરતા ઘટાડી શકે. મોટા પાયે તેનો ઉપયોગ થાય તો મોંઘા માળખા દ્વારા લાંબા અંતર સુધી ઊર્જા પહોંચાડવાની જરૂર ઘટાડીને હાલના ઊર્જા નેટવર્ક પરનું દબાણ હળવું કરી શકે. તે ઊર્જાની ઉપલબ્ધતા, ઉત્પાદન, સંગ્રહ અને ઉપયોગ અંગે સમુદાયોની મુશ્કેલીઓ સહન કરવાની ક્ષમતા પણ વધારી શકે.

જોકે અત્યારે આ સાબિત થયેલો ઉપયોગ નહીં, પરંતુ ભવિષ્યની એક સંભાવના જ છે.

પ્રયોગશાળાથી સમુદાયો સુધી

હાલનો તાત્કાલિક પડકાર આ ટેક્નોલોજીને પ્રયોગશાળામાં સાબિત થયેલી તેની વર્તમાન કલ્પનાથી આગળ લઈ જઈને વધુ વાસ્તવિક પરિસ્થિતિઓમાં ચકાસવાનો છે.

સંશોધકોનો આગળનો ઉદ્દેશ TRL 5 તરફ વધીને વધુ સંબંધિત વાતાવરણમાં આ ટેક્નોલોજીનું પ્રદર્શન કરવાનો છે. આ માટે પ્રણાલીનો વ્યાપ વધારીને મોટા વિસ્તારો સુધી લઈ જવો પડશે. સાથે એ પણ સુનિશ્ચિત કરવું પડશે કે તેનું કાર્યક્ષમ રીતે ઉત્પાદન થઈ શકે અને આખરે તેને બજારમાં લાવી શકાય.

ઓ માનખાને કહ્યું, “અમે હળવી પ્રણાલીના સ્તરે આ સિદ્ધિ મેળવવામાં સફળ થયા છીએ. અને તેનું મહત્ત્વ કેટલું છે તે હું ગમે તેટલું કહું, ઓછું જ છે.”

પ્રયોગશાળામાં કલ્પના સાબિત થવાથી લઈને વ્યાવસાયિક રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી ગ્રીન હાઇડ્રોજન ટેક્નોલોજી સુધી હજી લાંબી મજલ બાકી છે. પરંતુ સંશોધકો આ કલ્પનાને ટેક્નોલોજી સાકાર કરવાના તબક્કાથી ઘણું આગળ લઈ ગયા છે.

તેમનું કૃત્રિમ પાંદડું કુદરતની સંપૂર્ણ નકલ કરતું નથી. તેના બદલે તે કુદરતની સૌથી જૂની રીતોમાંથી એક—સૂર્યપ્રકાશ શોષીને તેને સંગ્રહિત રાસાયણિક ઊર્જામાં ફેરવવાની રીત—અપનાવે છે અને આ સિદ્ધાંતને આધુનિક સેમિકન્ડક્ટર તથા ઉત્પાદન ટેક્નોલોજી સાથે જોડે છે.

જો આ રીતને પૂરતી ટકાઉ, પરવડે એવી અને મોટા પાયે ઉપયોગમાં લઈ શકાય તેવી બનાવી શકાય, તો આખરે તે ગ્રીન હાઇડ્રોજન બનાવવાની વધુ સીધી અને સંભવિત રીતે ઓછી અસર કરતી રીત આપી શકે.

તે પુનઃપ્રાપ્ય ઊર્જાનું ઉત્પાદન અને સંગ્રહ લોકો જ્યાં રહે અને કામ કરે છે તેની નજીક લાવવામાં મદદ કરી શકે. તેનાથી સમુદાયોને પોતાની ઊર્જા કેવી રીતે બને, સંગ્રહાય અને વપરાય તેના પર વધુ નિયંત્રણ મળી શકે. સાથે તેમનું કાર્બન પદચિહ્ન, અશ્મિભૂત ઇંધણ પરની નિર્ભરતા અને હાલના ઊર્જા નેટવર્ક પરનું દબાણ ઘટી શકે.

આ લેખમાં જણાવાયેલ સંશોધનને EUના Horizon Programmeમાંથી ભંડોળ મળ્યું હતું. મુલાકાત આપનારાઓના વિચારો યુરોપિયન કમિશનના વિચારો દર્શાવે જ એવું જરૂરી નથી. જો તમને આ લેખ ગમ્યો હોય, તો તેને સોશિયલ મીડિયા પર શેર કરવાનું વિચારો.