क्रिस बर्टनेस के नेतृत्व में NIST में शोध दल ऊष्मा को बिजली में बदलने की एक नई विधि की खोज कर रहा है और इसके लिए एक उपकरण विकसित किया है। एक बार जब यह तकनीक पूर्ण हो जाएगी, तो यह ऊष्मा को बिजली में बदल देगी जो अन्यथा बर्बाद हो जाती। यह शोध जर्मन भौतिक विज्ञानी थॉमस सीबेक की खोज पर आधारित है। इस टीम ने महमूद हुसैन द्वारा की गई खोज को भी अपने थर्मोइलेक्ट्रिक रूपांतरण अध्ययन में शामिल किया है।
राष्ट्रीय मानक एवं प्रौद्योगिकी संस्थान (एनआईएसटी) के शोधकर्ताओं ने एक ऐसा अनूठा उपकरण तैयार किया है जो, यदि पूर्णतः सिद्ध हो जाए, तो ऊष्मा को बिजली में परिवर्तित कर सकता है। इस तकनीक में संयुक्त राज्य अमेरिका में बर्बाद हो रही ऊष्मा ऊर्जा को पुनः प्राप्त करने की क्षमता है , जिसका अनुमानित मूल्य लगभग 100 अरब डॉलर प्रति वर्ष है।
एनआईएसटी की शोधकर्ता क्रिस बर्टनेस और उनकी टीम ने इस तकनीक को विकसित किया है। इसमें सिलिकॉन वेफर के ऊपर गैलियम नाइट्राइड के हजारों सूक्ष्म स्तंभ जमा किए जाते हैं। इसके बाद सिलिकॉन को वेफर की निचली सतह से परत दर परत तब तक हटाया जाता है जब तक कि केवल एक पतली परत शेष न रह जाए। स्तंभों और सिलिकॉन शीट के बीच परस्पर क्रिया के कारण अधिक ऊष्मा विद्युत धारा में परिवर्तित हो सकती है, जिससे पदार्थ में ऊष्मा का स्थानांतरण धीमा हो जाता है ।
एक बार जब निर्माण प्रक्रिया विकसित हो जाती है तो सिलिकॉन शीट को भाप या निकास पाइप के चारों ओर लपेटा जा सकता है ताकि गर्मी उत्सर्जन को बिजली में परिवर्तित किया जा सके जिसका उपयोग आस-पास के उपकरणों को बिजली देने या पावर ग्रिड को भेजने के लिए किया जा सकता है। कंप्यूटर चिप्स को ठंडा करना एक और संभावित उपयोग हो सकता है।
जर्मन भौतिक विज्ञानी थॉमस सीबेक ने सबसे पहले एक विचित्र व्यवहार को देखा, जो एनआईएसटी-कोलोराडो विश्वविद्यालय के अध्ययन का आधार बना। 1820 के दशक की शुरुआत में, सीबेक ने विभिन्न संरचनाओं वाले दो धातु के तारों से बने एक लूप का अध्ययन शुरू किया, जो दोनों सिरों पर जुड़े हुए थे। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे तारों को जोड़ने वाले दो जंक्शनों का तापमान बदलता है, पास में रखी कंपास की सुई विचलित हो जाती है।
अन्य शोधकर्ताओं ने पाया कि दोनों क्षेत्रों के तापमान अंतर के कारण वोल्टेज उत्पन्न हुआ और उससे धारा प्रवाहित हुई, जिसके परिणामस्वरूप विक्षेपण हुआ। धारा द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र के कारण कंपास की सुई की दिशा बदल गई।
सीबेक प्रभाव , जो सैद्धांतिक रूप से ऊष्मा को बिजली में परिवर्तित करता है, उस ऊष्मा ऊर्जा का पुन: उपयोग करने का सबसे अच्छा तरीका हो सकता है जो अन्यथा बर्बाद हो जाती। लेकिन इसमें एक महत्वपूर्ण बाधा थी।
तापमान अंतर बनाए रखने के लिए, किसी पदार्थ में कम ऊष्मा चालकता और उच्च विद्युत चालकता होनी चाहिए ताकि पर्याप्त मात्रा में विद्युत ऊर्जा उत्पन्न हो सके। हालाँकि, अधिकांश पदार्थ विद्युत और ऊष्मा चालकता दोनों प्रदर्शित करते हैं; एक खराब विद्युत कंडक्टर भी खराब ऊष्मा चालकता प्रदर्शित करता है, और इसके विपरीत।
कोलोराडो विश्वविद्यालय के महमूद हुसैन ने ऊष्माविद्युत रूपांतरण के भौतिकी पर अपने शोध के दौरान पाया कि इन गुणों को नैनोपिलर्स से ढकी एक पतली झिल्ली में अलग किया जा सकता है—ये नैनोपिलर्स पदार्थ के खड़े स्तंभ होते हैं जिनकी लंबाई कुछ मिलियनवें मीटर से अधिक नहीं होती, या लगभग मानव बाल की मोटाई के दसवें हिस्से के बराबर होती है। उनकी इस खोज ने टीम और बर्टनेस को इस तकनीक पर काम करने के लिए प्रेरित किया।
नैनोपिलर्स की मदद से, बर्टनेस, हुसैन और उनके सहयोगियों ने सिलिकॉन शीट की ऊष्मा चालकता को उसकी विद्युत चालकता से सफलतापूर्वक अलग कर दिया । यह किसी भी पदार्थ के लिए पहली बार हुआ है और ऊष्मा को बिजली में कुशलतापूर्वक परिवर्तित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।
इसकी विद्युत चालकता को प्रभावित किये बिना या सीबेक प्रभाव में परिवर्तन किये बिना, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन शीट की ऊष्मा चालकता को 21% तक कम करने में सफलता प्राप्त की।
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सिलिकॉन और अन्य पदार्थों में परमाणु बंधनों द्वारा एक दूसरे से बंधे होते हैं और गर्मी का संचालन करने के लिए स्वतंत्र रूप से घूमने में असमर्थ होते हैं। परिणामस्वरूप, ऊष्मा ऊर्जा की गति गतिशील फोनोन के रूप में प्रकट होती है, जो सामूहिक परमाणुओं के कंपन होते हैं। सिलिकॉन शीट और गैलियम नाइट्राइड नैनोपिलर दोनों ही फोनोन ले जाते हैं; हालाँकि, नैनोपिलर के भीतर फोनोन स्थिर तरंगें हैं जो छोटे स्तंभों की दीवारों द्वारा दोनों सिरों पर स्थिर रहती हैं।
फोनोन और कंपन के बीच यह परस्पर क्रिया गतिमान फोनोन की गति को धीमा कर देती है, जिससे ऊष्मा का पदार्थ से होकर गुजरना कठिन हो जाता है। परिणामस्वरूप, ऊष्मीय चालकता कम हो जाती है और एक सिरे से दूसरे सिरे तक तापमान का अंतर बढ़ जाता है। इस पूरी प्रक्रिया के दौरान, सिलिकॉन शीट की विद्युत चालकता में कोई परिवर्तन नहीं होता है।
अब टीम सिर्फ़ सिलिकॉन संरचनाओं पर काम कर रही है और थर्मोइलेक्ट्रिक हीट रिकवरी के लिए बेहतर ज्यामिति का अनुसरण कर रही है। उन्हें ऊष्मा को बिजली में बदलने की उच्च दर का प्रदर्शन करने की उम्मीद है। रूपांतरण दर सुनिश्चित करती है कि यह तकनीक उद्योग के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य बन जाए।
स्रोत: एनआईएसटी प्रेस विज्ञप्ति
