छायाचित्र: पिक्साबे
शेकोटीच्या ज्वालांमधून बारीक बारीक काळे कण येताना आपण नेहमीच पाहतो. या कणांना काजळी म्हणतात. जेव्हा इंधनाचे पूर्णपणे ज्वलन होते तेव्हा ज्वाला निळ्या रंगाची असते. पण जेव्हा इंधन पूर्णपणे जळत नाही तेव्हा ज्वाला पिवळी दिसते आणि त्यातून उष्णता व काजळी तयार होते. काजळीमुळे माणसाला कर्करोग, श्वसनाचे आजार किंवा हृदयविकार होऊ शकतात. शिवाय यंत्राच्या भागांवर काजळी जमण्यामुळे ते लवकर खराब होतात. उदाहरणार्थ गॅस टर्बाइनच्या (वायुचक्की) पात्यांवर जेव्हा काजळी जमते तेव्हा त्यांचे संक्षारण (corrosion) होऊन उष्णता निघून जायला अडथळा निर्माण होतो.
काजळी जितकी कमी तितकी यंत्रे चांगली कार्यरत राहतात. इंधनाचे दहन होताना काजळी कशी आणि किती प्रमाणात तयार होते हा नेहमीच संशोधकांच्या अभ्यासाचा विषय असतो. वेगवेगळ्या इंधनांमुळे विविध परिस्थितींमध्ये, जसे की वायूच्या बदलत्या प्रमाणात, कितपत काजळी निर्माण होते याचा अभ्यास केला जातो. ही माहिती दहन यंत्रासारख्या (कंबस्शन इंजिन) यंत्रांची रचना करणाऱ्यांना अधिक चांगली यंत्रे बनवण्यास मदत करते. उदाहरणार्थ, गाडीमधील इंजिन. काजळीची मात्रा अगदी कमी असली तरी त्याचे विपरीत परिणाम होऊ शकतात. त्यामुळे कमी असली तरी काजळीचे मोजमाप करणे आवश्यक असते. परंतु तेवढ्या अचूकपणे ते करता येत नाही. प्रा. नीरज कुंभकर्ण यांच्या नेतृत्वाखाली भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधकांच्या एका गटाने नुकत्याच केलेल्या अभ्यासात एका नवीन पद्धतीचा वापर करून अल्प मात्रेतील काजळी मोजताना राहणाऱ्या त्रुटी प्रभावीपणे कमी करण्यात यश आले आहे. सदर अभ्यास द जर्नल ऑफ एरोसॉल सायंस मध्ये प्रकाशित झाला आहे. या कार्यास औद्योगिक संशोधन व सल्लागारी केंद्र, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई आणि भारतीय अंतरिक्ष संशोधन संघटना (इस्रो) यांचे अर्थसहाय्य लाभले.
काजळी मोजण्याच्या काही पद्धतींमध्ये जळणाऱ्या इंधनाच्या डिजिटल कॅमेरा मार्फत टिपलेल्या प्रतिमांचे विश्लेषण करून संशोधक इंधनाचे तापमान व काजळीचे प्रमाण याचा अंदाज लावतात. काजळी एकत्रित करून तिचे वजन करणे किंवा काजळीच्या कणांवर प्रकाश झोत टाकून तो कसा पसरतो याचा अभ्यास करणे या काजळीचे प्रमाण मोजण्याच्या काही इतर उपलब्ध पद्धती आहेत. सदर अभ्यासात प्रकाशझोत पद्धतीचा वापर केला आहे. संशोधकांनी इंधनाच्या एका जळणाऱ्या थेंबावर विशिष्ट वारंवारितेचा लाल लेझरचा झोत टाकला आणि त्या ज्वलन प्रक्रियेच्या अनेक प्रतिमा टिपून घेतल्या. “ज्योतीवर टाकल्या जाणाऱ्या प्रकाश झोतास मूळ प्रकाशझोत (बॅकग्राऊंड लाईट) म्हणतात. काजळीचे कण किंवा बारीक तुकडे असणाऱ्या ज्योतीवर ज्यावेळी हा प्रकाश झोत पडतो, त्यावेळी हे कण काही प्रकाश शोषून घेतात व काही प्रकाश विखुरला जातो. त्यामुळे कॅमेरा पर्यंत पोहचणाऱ्या प्रकाशाची प्रखरता कमी झालेली असते,” असे या संशोधनाचे सहभ्यासक, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील डॉ. आनंद शंकरनारायणन स्पष्ट करतात.
कॅमेरावर पडणाऱ्या प्रकाशात, लेझरचा प्रकाश आणि जळणाऱ्या इंधनामुळे निर्माण होणारा प्रकाश, दोन्ही समाविष्ट असते. काजळी मोजण्यासाठी केवळ ज्योतीमधून गेलेला लेझर प्रकाश मोजण्याची गरज असते व इंधन जळताना तयार झालेल्या ज्योतीतून उत्सर्जित प्रकाश गाळावा लागतो. केवळ लेझरची वारंवारिता पार होऊ शकेल अशी चाळणी (नॅरो बँड फिल्टर) वापरून संशोधकांनी प्रकाश गाळून घेतला.
लेझर झोताची मूळ प्रखरता, कॅमेरावर पडणाऱ्या प्रकाशाची प्रखरता आणि जमलेल्या काजळीचे प्रमाण यातील संबंधाचे समीकरण वापरून संशोधकांनी काजळीची मात्रा शोधून काढली. या प्रक्रियेत प्रतिमांवरून प्रखरतेची मात्रा मोजण्यासाठी संशोधकांनी त्यातील माहितीचे पूर्वीपेक्षा वेगळी पद्धत वापरून विश्लेषण केले. ज्वलनादरम्यान काजळीच्या कणांवर पडणाऱ्या निव्वळ मूळ प्रकाशझोताची प्रतिमा वेगळी टिपता येत नाही कारण ज्योतीचा प्रकाश ज्वलनात नेहमीच उपस्थित असतो. त्यामुळे मूळ प्रकाशझोताची प्रखरता मोजणे हे आव्हान असते.
यापूर्वीच्या अभ्यासांमध्ये शास्त्रज्ञांनी मूळ प्रकाशझोताची सरासरी प्रखरता मोजण्यासाठी इंधन जाळण्याच्या आधी काही छायाचित्रे घेतली होती. मूळ प्रकाशझोताच्या प्रत्यक्ष प्रखरतेच्या मूल्याचा अंदाज म्हणून त्यांनी हे सरासरी मूल्य वापरले. पण लेझरचा झोत मिलीसेकंदागणिक फडफडत असल्याने स्थिर नसतो. त्यामुळे सरासरी मूल्य हे दर क्षणाच्या प्रत्यक्ष मूल्यापेक्षा बऱ्यापैकी वेगळे असू शकते व हा अंदाज तितकासा अचूक नसतो. जर काजळीचे प्रमाण अल्प असेल तर प्रखरतेचे अंदाजित मूल्य वापरताना एक मर्यादा उद्भवते. प्रखरतेच्या अंदाजित मूल्य व प्रत्यक्ष मूल्यातील फरक हा काजळीच्या कणांनी शोषलेल्या व विखुरलेल्या प्रकाशाच्या मूल्याच्या जवळपास जाणारा असतो. त्यामुळे मोजमाप मोठ्या प्रमाणात चुकू शकते.
सदर अभ्यासात संशोधकांनी मूळ प्रकाशझोताच्या सरासरी मूल्याऐवजी प्रत्येक क्षणी मूळ प्रकाशझोताची प्रखरता काय असेल याच्या अंदाजाचा वापर केला. इंधन जळत असताना ज्योतीच्या बाहेरील भागात काजळीचे कण नसतात. या बाहेरील भागात मूळ प्रकाशझोताची फडफड कशी असते याचे पण निरिक्षण संशोधकांनी केले. या निरीक्षणांचा वापर करून त्यांनी काजळीच्या कणांवर येणाऱ्या मूळ प्रकाशझोताचा म्हणजेच बॅकग्राऊंड लाईटचा अंदाज बांधला. “आम्ही या माहितीचे विश्लेषण व संस्करण नवीन पद्धतीने केले आहे आणि त्याचा फायदा झाला आहे. आम्हाला दिसून आले की या पद्धतीच्या वापरामुळे काजळी अगदी कमी असेल तरी तिचे मोजमाप अधिक अचूक होते,” असे डॉ. आनंद शंकरनारायणन यांनी सांगितले.
संशोधकांनी ही पद्धत अधिक सुधारण्यासाठी आणखी काही गोष्टींचा अवलंब केला. इंधनाच्या ज्योतीच्या व लेझरच्या उगमामधे संशोधकांनी प्रकाशाचे विकिरण करू शकणाऱ्या काचेचा स्थिर व फिरता पटल (फिक्स्ड व रोटेटिंग डिफ्युजर) ठेवला. अशा पद्धतीच्या पटलातून बाहेर पडणाऱ्या प्रकाशाची प्रखरता एकसमान असते. त्यामुळे कॅमेराच्या प्रतिमेत असमान उजेडापायी दिसणारे काही डाग टळू शकले. जर प्रतिमेत असे डाग उपस्थित असले तर त्यांना प्रतिमेच्या माहितीतून गणितीय पद्धतीने काढता तर येते, परंतु या प्रक्रियेत काही बारीक माहिती गमावली जाते. माहितीची अशी हानी या पटलामुळे टळली.
संशोधकांनी त्यांच्या नवीन पद्धतीने केलेल्या माहिती संस्करणाची पडताळणी केली. यापूर्वीच्या अभ्यासातून ज्ञात असलेली काजळीची मात्रा त्यांनी नवीन पद्धतीने मोजून पाहिली आणि दोन्ही निष्कर्षांची तुलना केली. शिवाय त्यांनी निरीक्षणांची गुणात्मक तपासणी देखील केली. त्याकरिता त्यांनी टॉलुइन (एक कार्बनयुक्त इंधन) चा एक थेंब पेटवला आणि आपल्या प्रयोगातील निरीक्षणे ज्ञात माहितीसह पडताळून पाहिली. “आम्हाला काजळीची सर्वाधिक मात्रा अपेक्षेप्रमाणे ज्योतीच्या बाह्य सीमेच्या किंचित आतील बाजूस दिसून आली. या भागात तापमान आणि इंधन दोन्ही जास्त असते. काजळीच्या मात्रेच्या बाबतीत, आधीची माहिती व आमच्या सदर निरीक्षणात साम्य दिसले,” असे स्पष्टीकरण डॉ. आनंद शंकरनारायणन यांनी दिले.
टॉलुइनच्या थेंबाच्या ज्वलन प्रक्रियेतील एक दृश्य (सौजन्य: शंकरनारायणन व गट)
अपुऱ्या प्राणवायू अथवा अपुऱ्या हवेमध्ये किंवा अपुऱ्या वेळात होणाऱ्या इंधनाच्या ज्वलनामुळे अधिक प्रमाणात काजळी निर्माण होते. जे इंधन एरवी खूप कमी काजळी निर्माण करत असेल, ते सुद्धा वरील स्थितींमध्ये जास्त प्रमाणात काजळी बाहेर टाकते. “काजळी निर्माण होऊ न देण्यासाठी दहनावर काम करणाऱ्या यंत्रांच्या काही विशिष्ट कार्यकारी स्थिती असतात. त्या स्थितींच्या मर्यादा पार झाल्या तर काजळी निर्माण होऊ लागते. या प्रयोगाचा उपयोग करून काजळीची पातळी शून्यापासून पुढे कशी वाढत जाते त्याचे विश्लेषण करण्यास मदत होईल,” असे मत डॉ. आनंद शंकरनारायणन यांनी व्यक्त केले. “या अभ्यासाचा उपयोग करून अधिक चांगल्या काजळीरहित यंत्रांची रचना करता येऊ शकेल आणि त्यांच्या उत्तम कार्यास अनुकूल वायू, वेळ इत्यादि स्थिती ठरवता येऊ शकतील,” असा विश्वास त्यांनी व्यक्त केला.