ऊष्मा ऊर्जा जीवसृष्टीला जोपासणारी मूलभूत ऊर्जा आहे. अन्न शिजवणे, घर उबदार ठेवणे यापासून ते उद्योग चालवणे आणि वीजनिर्मिती अशा विविध उपयोगांसाठी मनुष्य ऊष्मा ऊर्जा वापरत आहे. आपल्याला उष्णता मुख्यतः सूर्याकडून मिळत असते. वनस्पती आणि मोठी झाडे सूर्याची उष्णता शोषून घेतात आणि साठवून पण ठेवतात. अनेक दशलक्ष वर्षांनी त्यांचे रूपांतर कोळश्यामध्ये होते. मानव संस्कृतीच्या इतिहासात या जीवाष्म वनस्पतींना जाळून उष्णता किंवा इंधन यासाठी नेहमीच वापर होत आला आहे. परंतु पर्यावरण आणि जैवविविधता यावर त्याचे दुष्परिणाम होऊन प्रदूषण व हरितगृह उत्सर्जन वाढलेले आहे. अलीकडच्या काळात अक्षय ऊर्जा स्रोतांबद्दल जागरूकता आल्याने मनुष्य सूर्यप्रकाशाचे थेट रूपांतर वापरण्यायोग्य ऊर्जेत करायला शिकला आहे. तरीही सूर्यापासून मिळणाऱ्या एकूण ऊष्मा ऊर्जेचा काही अंशच आपण वापरू शकलो आहोत.
सूर्याची उष्णता शोषून आणि साठवून ठेवण्याची मोठी क्षमता असलेला एक नवीन पदार्थ भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) मधील संशोधकांनी विकसित केला आहे. नॅनोस्ट्रक्चर्ड हार्ड-कार्बन फ्लोरेट्स (एनसीएफ) नावाच्या या पदार्थामध्ये सौर-ऊष्मा रूपांतरणाची अभूतपूर्व अशी ८७% कार्यक्षमता आढळली आहे. एनसीएफवर पडणाऱ्या अतिनील (अल्ट्रावायोलेट), दृश्य (व्हिसिबल) आणि अवरक्त (इन्फ्रारेड) प्रकाशातील ९७% प्रकाश शोषला जातो आणि त्याचे प्रभावीपणे ऊष्मा ऊर्जेत रूपांतर होते. ही ऊष्मा ऊर्जा हवा किंवा पाणी गरम करायला वापरून त्याचे विविध व्यावहारिक उपयोग करता येतात. या अभ्यासातून संशोधकांनी दाखवून दिले आहे की एनसीएफचा उपयोग करून सामान्य तापमानाला असलेली हवा ६० डिग्री सेल्सिअस पर्यंत गरम करता येते आणि कोणत्याही प्रकारचा धूर किंवा प्रदूषण न करता खोली, कोठी किंवा तत्सम जागा गरम करता येते.
“भरपूर सूर्यप्रकाश मिळणाऱ्या थंड हवेच्या प्रदेशात, उदाहरणार्थ, लेह आणि लडाख, याचा उपयोग विशेषतः इमारती गरम ठेवण्यासाठी होऊ शकतो,” असे या अभ्यासाचे लेखक असलेले, आयआयटी मुंबई मधील रसायनशास्त्र विभागातील प्रा. सी. सुब्रमण्यम यांनी सांगितले.
सोलर थर्मल कन्व्हर्टर्स (सौर ऊर्जेचे उष्णतेत रूपांतर करणारी उपकरणे) जगभरात अनेक ठिकाणी आता वापरले जातात, जसे पाण्याचे सौर हीटर. नवीन आणि नवीकरणीय ऊर्जा मंत्रालय, भारत सरकार यांच्या माहितीनुसार भारतात साधारण चार कोटी म्हणजेच २.५% घरांमध्ये पाण्याचे सौर हीटर्स वापरले जातात. पण त्यात सहसा वापरले जाणारे सोलार हीट ॲब्सोर्बर्स (सौर उष्णता शोषून घेणारी उपकरणे) बहुधा महाग, बोजड आणि पर्यावरणासाठी हानिकारक असू शकतात.
“सूर्यप्रकाशाचे उष्णतेत रूपांतर करणारे पारंपरिक मटेरियल्स आणि लेप (कोटिंग्स) क्रोमियम किंवा निकेलच्या फिल्म्स वर आधारित असतात. ॲनोडाइज्ड क्रोमियम एक जड धातु आहे आणि पर्यावरणासाठी विषाक्त (टॉक्सिक) असतो. क्रोमियम आणि निकेलच्या फिल्म्सची सोलार-थर्मल रूपांतरक्षमता ६० ते ७०% दरम्यान असते. बाजारात उपलब्ध असलेले सर्वोत्तम कन्व्हर्टर्स सुद्धा ७०% रूपांतरक्षमता दर्शवतात,” असे एनसीएफ विकसित करणाऱ्या या अभ्यासाच्या प्रमुख लेखिका डॉ. अनन्या साह यांनी सांगितले.
एनसीएफ मात्र प्रामुख्याने कार्बनचे बनलेले आहेत. ते तयार करण्याची पद्धत खर्चिक नाही. शिवाय एनसीएफ पर्यावरणपूरक आणि वापरायला सोपे आहे. एनसीएफ कोटिंगच्या वापरात सोलर हीटरसाठी लागणाऱ्या आणि देखभालीसाठी आव्हानात्मक असणाऱ्या काही इतर साधनांची पण गरज भासत नाही, उदाहरणार्थ व्हॅक्युम जॅकेट.
सौर ऊष्मा ऊर्जेचे उपयुक्त उष्णतेमध्ये कार्यक्षम पद्धतीने रूपांतर करण्यासाठी दोन महत्वाचे परंतु विरोधाभासी गुणधर्म असलेल्या पदार्थापासून कन्व्हर्टर बनवलेला असावा लागतो. पहिला, त्यावर पडणाऱ्या आपाती प्रकाशातील बऱ्याच भागाचे यशस्वीपणे उष्णतेत रूपांतर झाले पाहिजे – या प्रक्रियेला फोटॉन थर्मलायझेशन म्हणतात. दुसरा गुणधर्म म्हणजे, वहन व प्रारणाद्वारे (conduction and radiation) या उष्णतेचा ऱ्हास न होऊ देता उष्णता साठवून ठेवता आली पाहिजे. जेव्हा प्रकाशकण एखाद्या पदार्थावर पडतात तेव्हा त्या पदार्थातील अणूंची दोलने उत्पन्न होतात. या दोलनांना फोनॉन्स म्हणतात. पुढे फोनॉन्स त्या पदार्थात फिरतात आणि संपूर्ण पदार्थात उष्णता पसरवतात. ज्या पदार्थांमध्ये फोनॉनची ऊष्मा वाहकता उच्च असते त्या पदार्थांमध्ये उष्णता वेगाने पसरते आणि त्यातील बरीच उष्णता निघून जाते. थोडक्यात, जर पदार्थात उत्तमरित्या उष्णता शोषून घेण्याची क्षमता हवी असेल तर त्यात उच्च फोटॉन थर्मलायझेशन आणि फोनॉनची ऊष्मा वाहकता कमी असायला पाहिजे. एनसीएफ मध्ये हे दोन्ही गुणधर्म दिसून येतात.
एनसीएफ नॅनोकणांमध्ये कार्बनचे एकमेकांना जोडलेले सूक्ष्म शंकू असतात ज्यामुळे त्यांची रचना झेंडूच्या फुलासारखी दिसते. या विशिष्ट रचनेमुळे प्रकाशकण त्यावर आदळले असता फोनॉन ॲक्टिव्हेशनची प्रक्रिया जोमाने होते, मात्र फोनॉनची ऊष्मावाहकता कमी असते.
“एनसीएफचा लांबी-रुंदी कमी असलेला लहान भाग बघितला तर त्यातील कणांची मांडणी पद्धतशीर असते, पण लांबी-रुंदी मोठी असलेला भाग बघितला तर त्याची रचना विस्कळित असते. त्यामुळे जेव्हा एनसीएफ प्रकाश शोषतात तेव्हा स्थानिक रचना पद्धतशीर असल्यामुळे फोनॉन ॲक्टिव्हेशन जोमाने घडते (पद्धतशीर लॅटिस रचनेमध्ये होणारी दोलने). साधारणत: ज्या पदार्थांमध्ये फोनॉनचे कार्य जोमात असते त्या पदार्थांमध्ये ऊष्मा ऊर्जेचे उत्तम वहन होते. त्यामुळे ऊष्मा बाहेर फेकला जाउन ऊष्मा ऊर्जा कमी होण्याची प्रवृत्ती असते. परंतु एनसीएफची लांब पल्ल्याची रचना पद्धतशीर नसल्यामुळे फोनॉन्स विखुरले जातात आणि त्यांची ऊष्मा-वाहकता (हवी तशी) कमी होते,” असे या शोधनिबंधाचे लेखक प्रा. सुब्रमण्यम यांनी स्पष्ट केले.
सूर्यप्रकाश उष्णतेत रूपांतरित करण्याची एनसीएफची क्षमता तर लक्षणीय आहेच, शिवाय एनसीएफ तयार करायची प्रक्रिया देखील सुलभ आहे. रासायनिक वायू निक्षेपण (केमिकल व्हेपर डेपोसिशन) नावाचे तंत्र वापरून अमॉर्फस डेंड्रायटिक फायब्रस नॅनोसिलिकाच्या अधःस्तरावर (सब्सट्रेट) कार्बन अणूंचा थर देऊन एनसीएफ तयार करता येते. हे लागणारे पदार्थ सहज उपलब्ध असतात आणि मोठ्या प्रमाणात एनसीएफ तयार करण्यासाठी हे तंत्र वापरता येऊ शकते. त्यामुळे याचे मोठ्या प्रमाणावर व्यावसायिक उत्पादन फारसे खर्चिक होणार नाही. एकदा एनसीएफ नॅनोकण तयार झाले की, जसे पावडर कोटिंग करतात तसे स्प्रे-पेंटिंग तंत्राने बहुतांश पृष्ठभागांवर यांचा लेप चढवता येतो. एनसीएफ वापरायला आणि देखभाल करायला कमी खर्च येतो.
“कागद, इलॅस्टोमर, धातु आणि टेराकोटा मातीवर एनसीएफचे लेपन करणे शक्य असल्याचे आम्ही दाखवले आहे,” असे प्रा. सुब्रमण्यम यांनी नमूद केले.
सौर प्रकाशाचे ऊष्मा ऊर्जेत रूपांतर करण्या पलीकडे एनसीएफचा उपयोग खोल्या, कार्यालये किंवा अशा लहान जागांना उबदार ठेवण्यासाठी (स्पेस हीटिंग) होऊ शकतो. संशोधकांनी दाखवून दिले आहे की तांब्याच्या पोकळ नळ्यांवर एनसीएफचा लेप दिला तर त्या नळ्यांमधून जाणारी हवा ७२ डिग्री सेल्सिअस पेक्षा जास्त गरम होऊ शकते. याशिवाय पाण्याचे वाफेत रूपांतर करण्याची एनसीएफची कार्यक्षमता १८६% आहे जी आतापर्यंतच्या सर्व पद्धतींमध्ये सर्वोच्च आहे. सौर ऊर्जा पाण्याची वाफ करण्यासाठी वापरून जल शुद्धीकरण करण्याची पद्धत आहे. सौर ऊर्जेचा उपयोग करण्याच्या कार्यक्षमता एनसीएफ पदार्थामध्ये सर्व इतर पद्धतींपेक्षा सरस आहे.
“एनसीएफचा एक चौरस मीटर लेप एका तासात ५ लिटर पाणी वाफेत रूपांतरित करतो. बाजारात उपलब्ध असलेल्या बाष्पीभवनाच्या सौर उपकरणांपेक्षा ही क्षमता पाचपट आहे,” असे प्रा. सुब्रमण्यम यांनी सांगितले.
भारत सरकारच्या विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभागातर्फे दिल्या जाणाऱ्या स्वर्णजयंती पाठ्यवृत्तीचे सहाय्य या महत्वपूर्ण संशोधनाला लाभले. आज संपूर्ण जगाला भेडसावणाऱ्या ऊर्जा प्रश्नावर या संशोधनातून एक पर्यावरणपूरक ‘ग्रीन’ उपाय प्रस्तुत झाला आहे आणि त्यामुळे शाश्वत ऊर्जा स्रोत वापरण्याच्या दिशेने जगाला वाटचाल करायला मदत होऊ शकेल. संशोधकांच्या गटाने आयआयटी मुंबई येथील सोसायटी फॉर इनोव्हेशन अँड आन्ट्रप्रनरशीप (एसआयएनइ) मध्ये एनसीएफचे व्यावसायिक पातळीवर उत्पादन करण्याच्या दृष्टीने कंपनी स्थापन केली आहे. एनसीएफचे मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करणे आणि पाण्याचे हीटर व स्पेस हीटिंगसाठी एनसीएफ-आधारित उपकरणे विकसित करणे यावर कंपनीमध्ये लक्ष केंद्रित केले जाणार आहे. या प्रयत्नांत त्यांना ट्रान्स्लेशनल रिसर्च ॲक्सेलरेटर प्रोग्रॅम मार्फत आयआयटी मुंबईच्या माजी विद्यार्थ्यांचे मोलाचे मार्गदर्शन आणि सहाय्य लाभले आहे. संशोधकांच्या गटाला त्यांच्या या शोधासाठी आयआयटी मद्रास येथील कार्बन-झिरो चॅलेंज आणि आयआयटी गांधीनगर मध्ये विश्वकर्मा अभियांत्रिकी पुरस्कार-२०२१ अशी अनेक बक्षिसे मिळाली आहेत.
“मला ठाम विश्वास वाटतो की एनसीएफ मध्ये भारतातील सौर-ऊष्मा ऊर्जा क्षेत्राची रूपरेषा पालटून टाकण्याची आणि कार्बनमुक्ततेचा मार्ग खुला करण्याची क्षमता आहे,” असा विश्वास प्रा. सुब्रमण्यम यांनी व्यक्त केला.