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कालिख की छोटी मात्राओं को मापने के लिए कम्प्यूटेशनल तकनीकों का प्रयोग

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कालिख की छोटी मात्राओं को मापने के लिए कम्प्यूटेशनल तकनीकों का प्रयोग

चित्र: पिक्साबय

हम सभी ने कैम्प में अलाव की लौ से छोटे-छोटे काले कणों को उठते हुए देखा है। ये कण, जिन्हें कालिख कहा जाता है, तब बनते हैं जब ईंधन पूरी तरह से जल नहीं पाता है। जब ईंधन ठीक से जलता है तो नीली लौ दिखाई देती है, जबकि ईंधन के जलने के दौरान कालिख बनने पर लौ पीली होती है और गर्म हो जाती है। ये कालिख कैंसर, श्वसन और हृदय संबंधी विकारों का कारण बन सकती है। कालिख मशीन के पुर्जों की जीवन अवधि को भी कम कर सकती है। उदाहरण के लिए गैस टर्बाइनों में ब्लेड पर जमा होने वाली कालिख जंग का कारण बनती है और गर्मी के अपव्यय (हीट ट्रांसफर) को कठिन  बनाती है।

शोधकर्ता अध्ययन करते हैं कि कालिख कैसे बनती है और विभिन्न परिस्थितियों जैसे कि विभिन्न ईंधन के लिए अलग-अलग मात्रा में हवा, में कालिख की मात्रा को मापते हैं। यह आँकड़े डिजाइनरों को कालिख को कम करने और आंतरिक दहन इंजन (हमारी कारों में उपयोग होने वाला इंजन) जैसे बेहतर दहन-आधारित उपकरणों को डिजाइन करने में सहायता कर सकते हैं। कालिख की एक छोटी मात्रा भी हानि पहुंचा सकती है, लेकिन कालिख की इस छोटी मात्रा को सटीक रूप से मापना कठिन है। हाल ही के एक अध्ययन में, प्राध्यापक नीरज कुंभकर्ण के नेतृत्व में, भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, मुंबई के शोधकर्ताओं ने कम मात्रा में कालिख के उपस्थित होने पर माप त्रुटियों को प्रभावी ढंग से कम करने के लिए एक नई तकनीक का प्रदर्शन किया हैं। यह अध्ययन जर्नल ऑफ एरोसोल साइंस नामक पत्रिका में प्रकाशित हुआ है। इस शोध को संयुक्त रूप से औद्योगिक अनुसंधान और परामर्श केंद्र, भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, मुंबई और भारतीय अंतरिक्ष अनुसंधान संगठन (इसरो) द्वारा वित्त पोषित किया गया था।

शोधकर्ता ईंधन के तापमान का अनुमान लगाने के लिए जलते हुए ईंधन का डिजिटल कैमरे के चित्रों द्वारा विश्लेषण करते हैं और कालिख की मात्रा का अनुमान लगाने के लिए इस जानकारी का उपयोग करते हैं। कालिख को इकट्ठा करना, तौलना और कालिख के कणों पर चमकने वाले प्रकाश पुंज का अध्ययन करना आदि, कालिख की मात्रा को मापने के कुछ और तरीके हैं। वर्तमान अध्ययन अंतिम विधि का उपयोग करता है। शोधकर्ताओं ने जलते हुए ईंधन की बूंद से एक विशिष्ट आवृत्ति के लाल लेजर प्रकाश की किरण पुंज को पारित किया और इसके जलने पर चित्र लिए। कैमरे पर पड़ने वाले प्रकाश में जलते हुए ईंधन से निकलने वाला प्रकाश भी होता है। शोधकर्ताओं ने एक संकीर्ण बैंड फिल्टर का इस्तेमाल किया ताकि केवल लेजर लाइट ही गुज़र सके और जलने वाले ईंधन द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को फ़िल्टर (निस्यंदन) कर सके। भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, मुंबई के डॉ आनंद शंकरनारायणन, जो इस शोध के सह लेखक भी है, बताते हैं कि, "जब कालिख के कणों वाली लौ प्रकाश के साथ चमकती है, जिसे पृष्ठभूमि प्रकाश कहा जाता है, तो कण इस में से कुछ प्रकाश को अवशोषित कर  बिखेर देते हैं, इसलिए कैमरे तक पहुंचने वाला प्रकाश कम दीप्तिमान हो जाता है।"

शोधकर्ताओं ने कालिख की मात्रा की गणना करने के लिए लेजर प्रकाश की प्रारंभिक चमक, कैमरे पर पड़ने वाले प्रकाश की चमक और कालिख की मात्रा के बीच संबंध का उपयोग किया। शोधकर्ताओं ने अपनी छवियों से चमक की मात्रा की गणना करने के लिए डेटा-प्रोसेसिंग तकनीक का उपयोग किया है। उनकी चुनौती कालिख के कणों पर पड़ने वाले पृष्ठभूमि प्रकाश की प्रारम्भिक चमक का अनुमान लगाना था क्योंकि यह सीधे कैमरे की छवियों में कैद नहीं हो पाती है।

पिछले अध्ययनों में, वैज्ञानिकों ने ईंधन जलाने से पहले ली गई कुछ अतिरिक्त छवियों से पृष्ठभूमि प्रकाश की औसत चमक की गणना की थी। उन्होंने इस औसत मान का उपयोग पृष्ठभूमि प्रकाश की वास्तविक चमक के अनुमान के रूप में किया। लेकिन हर कुछ मिलीसेकंड में एक लेज़र लाइट टिमटिमाती है। औसत चमक हर क्षण ​वास्तविक चमक से भिन्न हो सकती है। जब कालिख की मात्रा कम होती है, तो चमक में यह अंतर कालिख के कणों द्वारा बिखरे और अवशोषित प्रकाश के बराबर होता है। यह त्रुटि का एक महत्वपूर्ण स्रोत हो सकता है।

वर्तमान अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने औसत मान का उपयोग करने के बजाय हर क्षण पृष्ठभूमि प्रकाश की चमक की भविष्यवाणी की। उन्होंने जलते हुए ईंधन की लौ के बाहर उपस्थित क्षेत्रों में पृष्ठभूमि प्रकाश में झिलमिलाहट देखी, जहां कालिख नहीं थी। उन्होंने इसका उपयोग कालिख के कणों पर पड़ने वाले पृष्ठभूमि प्रकाश का अनुमान लगाने के लिए किया। "हमारी नई डेटा प्रोसेसिंग तकनीक का उपयोग करते हुए, हमें कम त्रुटियां मिली, विशेषतः जब उत्पादित कालिख की मात्रा कम हो। हमारी तकनीक को किसी अतिरिक्त उपकरण या अतिरिक्त व्यय की आवश्यकता नहीं है, जो इसका एक और लाभ है, ”डॉ शंकरनारायणन कहते हैं।

प्रयोग में त्रुटियों को और कम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने जलती हुई ईंधन पर प्रकाश के पड़ने की घटना से पहले एक स्थिर और घूर्णन विसारक (एक कांच की शीट जो प्रकाश को बिखेरती है) के माध्यम से लेजर प्रकाश किरण पुंज  को पारित किया। एक विसारक समान रूप से उज्ज्वल प्रकाश देता है और कैमरे की छवि में आने वाले कई धब्बे या बिंदुओं से बचा लेता है। डेटा को संसाधित करते समय इन धब्बों को हटाने की आवश्यकता होती है, जिससे प्राप्त जानकारी नष्ट हो सकती है।

शोधकर्ताओं ने अपनी डेटा प्रोसेसिंग तकनीक को भी मान्यता दी है। उन्होंने इसका उपयोग, साहित्य पत्रिका में प्रतिवेदित कुछ पिछले मापों पर कालिख की मात्रा की गणना करने हेतु किया और मिले  परिणामों को सत्यापित किया। शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक अवलोकनों की गुणवत्ता जांच भी की। उन्होंने टोल्यूनि (एक कार्बन आधारित ईंधन) की बूंद को जलाया और पिछले अध्ययनों से अपने प्रयोगात्मक अवलोकनों की तुलना की। "हमने कालिख की मात्रा की एक समान उच्चतम  मात्रा देखी। जैसा कि अपेक्षित था, हमने लौ के बाहरी किनारों के थोड़े से अंदर, एक उच्च मात्रा में कालिख देखी, जहां तापमान और ईंधन की सघनता प्रखर होती है, ”डॉ शंकरनारायणन बताते हैं।

टोल्यूनि ड्रॉपलेट दहन प्रक्रिया से छवि (श्रेय: शंकरनारायणन एवं अन्य शोधकर्ता)

ऐसा ईंधन जो सामान्यतः कम मात्रा में कालिख पैदा करता है, किन्तु  जब पर्याप्त ऑक्सीजन और हवा के बिना या अपर्याप्त समय के लिए अधूरा जलाया जाता है, तो उच्च मात्रा में कालिख पैदा करता है। "व्यावहारिक दहन उपकरणों के लिए, क्रिया संचालन परिस्थितियों की एक श्रृंखला होती है जहां कालिख नहीं बनती है और एक ऐसी सीमा होती है जहां अचानक कालिख बनना शुरू हो जाती है। इसलिए यदि हम ऐसी स्थितियों का विश्लेषण करने के लिए एक समान ढाँचे का उपयोग करते हैं जिसमें कालिख के न बनने से लेकर  बहुत कम कालिख बनने और उसके बाद बहुत अधिक कालिख के बनने तक का परिवर्तन होता हो, तो यह अध्ययन उपयोगी हो सकता है।,” डॉ शंकरनारायणन का मानना है। "यह बेहतर उपकरणों की रचना करने और सही परिचालन स्थितियों की पहचान करने के लिए उपयोगी है ताकि कालिख का गठन न्यूनतम हो," उन्होंने संकेत दिया।