वैज्ञानिक माइक्रोब की शक्ति को स्वच्छ ऊर्जा के स्रोत के रूप में प्राप्त करने का सतत् प्रयास …]]>

वैज्ञानिक माइक्रोब की शक्ति को स्वच्छ ऊर्जा के स्रोत के रूप में प्राप्त करने का सतत् प्रयास करते रहे हैं एरीज़ोना स्टेट यूनिवर्सिटी (Arizona State University) के बायोडिज़ाइन इंस्टीट्यूट (Biodesign Institute) के शोधकर्ता डॉ. प्रताप परमेश्वरन और उनके सहयोगियों ने विशेष बैक्टीरिया के प्रयोग द्वारा स्वच्छ ऊर्जा के उत्पादन की क्षमता को बढ़ाने की विधि खोज निकाली है।

माइक्रोबियल इलेक्ट्रोकेमिकल सेलस् (Microbial electrochemical cells) या MXCs बैक्टीरियल श्वसन क्रिया का प्रयोग करके इलेक्ट्रॉन मुक्त करा सकते हैं, जिसके द्वारा धारा (current) पैदा की जा सकती है और स्वच्छ विद्युत बनायी जा सकती है। छोटा सा बदलाव करके इस युक्ति (device) से इलेक्ट्रिलिसिस किया जा सकता है, जिससे प्राकृतिक विधि से हाइड्रोजन (hydrogen) उत्पन्न होती है, इस कारण जीवाश्म ईंधन और प्राकृतिक गैस पर निर्भरता कम हो सकती है, जो कि आजकल हाइड्रोजन उत्पादकों द्वारा सर्वाधिक प्रयोग में लाये जाते हैं।

MXCs बैटरी की भाँति होते हैं, इसमें प्रत्येक टर्मिनल के लिए एक मेसॉन जार के आकार का चैम्बर (Mason jar-sized chamber) लगाया जाता है। बैक्टीरिया धनात्मक चैम्बर में बढ़ते हैं, जिसे एनोड (anode) कहते हैं। सेंटर फॉर इंवायर्नमंटल बायोटेक्नोलॉजी (Center for Environmental Biotechnology) के निर्देशक ब्रूश रिटमैन (Bruce Rittmann) और उनके सहयोगियों ने यह पहले भी दर्शाया है कि बैक्टीरिया एनोड इलेक्ट्रोड (anode electrode) पर जी और फलफूल सकते हैं और व्यर्ज (waste) पदार्थ को भोजन के रूप में प्रयोग कर सकते हैं, (बैक्टीरिया के कच्चा भोज्य पदार्थ में सुअर खाद (pig manure) और अन्य खेत व्यर्ज भी सम्मिलित हैं),  इनके बढ़ने के लिए जब इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रॉन भेजे जा रहे हों की क्रिया से विद्युत बनती है।

Dr. Prathap Parameswaran showing the electrode used in the microbial electrochemical cell (MEC).

एक माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसस सेल (microbial electrolysis cell, MEC) में, एनोड पर उत्पन्न होने वाले इलेक्ट्रॉन धनावेशित प्रोटान से जुड़कर ऋणात्मक कैथोड (cathode) चैम्बर में हाइड्रोजन गैस बनाते हैं। परमेश्वरन का कहना है कि “MEC एनोड पर होने वाली प्रतिक्रिया (रासायनिक और भौतिक) माइक्रोबियल सेल की भाँति ही है जिससे विद्युत उत्पादन किया जाता है।” हम इस युक्ति को किस प्रकार उपयोग करते हैं अंति उत्पाद इसी बात पर निर्भर करता है।

जब बैक्टीरिया आक्सीजन मुक्त या ऐनार्बिक परिवेश (anaerobic environment) में बढ़ती है, तो MXC के एनोड पर जमा हो जाती है और शर्करा और प्रोटीन की स्टिकी मैट्रिक्स् (sticky matrix) बनाती है। ऐसे परिवेश में, जब रासानिक यैगिकों (organic compounds) पर पाली जाती है, तो बैक्टीरिया की एक कुशल भागीदारी बायोफ़िल्म एनोड पर स्थापित हो जाती है, जिसमें फ़र्मेन्टरस् (fermenters), हाइड्रोजन स्कैविंजरस् (hydrogen scavengers), और एनोड पर साँस लेने वाले बैक्टीरिया (anode respiring bacteria, ARB) होते हैं। यह जीवित मैट्रिक्स बायोफ़िल्म एनोड के रूप में जानी जाती है, यह एक बढ़िया विद्युत चालक (strong conductor) होती है, जो कि एनोड पर इलेक्ट्रॉन कुशलतापूर्वक भेजने में समर्थ है जहाँ पर ये कैथोड की दिशा के आर-पार (across to the cathode side) एक करंट ग्रेडियंट (current gradient) का अनुगमन करते हैं।

वर्तमान अध्ययन दर्शाता है कि एनोड चैम्बर में होमो-ऐसेटोजेनस् (homo-acetogens) नामक  बैक्टीरिया की संख्या बढ़ाने से ऐनोड से कैथोड की ओर जाने वाले इलेक्ट्रॉन का बहाव स्तर बढ़ाया जा सकता है।  होमो-ऐसेटोजेनस् व्यर्ज पदार्थ में हाइड्रोजन से इलेक्ट्रॉन ग्रहण करते हैं, एसीटेट (acetate) बनाते हैं, जो एनोड बैक्टीरिया के लिए एक बहुत अनुकूल इलेक्ट्रॉन दाता है।

अध्य्यन दर्शाता है कि अनुकूल परिस्थितियों में एनोड बैक्टीरिया होमो-ऐसेटोजेनस् के साथ सिनट्रोफी (syntrophy) या पारास्परिक क्रिया के पश्चात् अधिक कुशलता के साथ हाइड्रोजन को विद्युत धारा में बदल सकते हैं। यह टीम अन्य हाइड्रोजन ग्राही माइक्रोबस् के विपरीत प्रभावों को कम करने में भी समर्थ रही है, उदाहरण के लिए मीथेन बनाने वाली मीथेनोजेनस् (methanogens) , जो प्रणाली में उपस्थित कुछ इलेक्ट्रॉन चुरा लेता है, जिससे विद्युत धारा कम हो जाती है। मीथेनोजेन का चयनात्मक अवरोध 2-ब्रोमोएथेन सफ़ोनिक अम्ल (2-bromoethane sulfonic acid) को एनोड के माइक्रोबियल स्ट्यू (microbial stew) में मिला देने से प्राप्त होता है।

होमो-ऐसेटोजेनस् की पहचान की पुष्टि करने के लिए समूह रासायनिक और जेनोमिक (genomic) दोनों विधियों का प्रयोग करता है। साथ ही साथ एसीटेट की खोज पर, फारमेट, एक मध्यस्थ उत्पाद भी खोजा गया है। मात्रात्मक PCR विश्लेषण की सहायता से, टीम FTHFS के रूप में एसीटोजेन के जेनोमिक सिंगनेचर (genomic signature) को भी ढूँढ़ने में सफल रही है, FTHFS एक जीन है जो एसीटोजेनेसिस (acetogenesis) से सम्बंधित है।

परमेश्वरन ने कहा कि हमने यह भी स्थापित किया है कि यह होमो-ऐसेटोजेनस् प्रबल हो सकते है और सम्बंध बना सकते हैं। आगे किया जाने वाला शोध से यह पता चलेगा कि रासायनिक निष्क्रियकों की अनुपस्थिति में होमो-ऐसेटोजेनस् और एनोड बैक्टीरिया के बीच सिनट्रोफिक संबंध बनाए रखे जायें।

आगे की प्रगति बड़े पैमाने पर प्रणाली के व्यवसायीकरण के मार्ग प्रशस्त करेगी जिससे गंदे पानी का शुद्धिकरण और स्वच्छ ऊर्जा उत्पादन दोनों कार्य साथ-साथ हो जाया करेंगे। सेसर टोरएस (Cesar Torres) का कहना है कि अभी तक की सबसे बड़ी रुकावट इस क्षेत्र में हमारा कम ज्ञान है। सेसर टोरएस वर्तमान अध्य्यन के सह लेखक हैं जो इस बात पर बल देते हैं कि MXCs के अंदर बैक्टीरिया समूहों की पारस्परिक क्रियाओं के बारें अभी बहुत कुछ जानना शेष है।

यह क्षेत्र बहुत नया है, टोरएस इंगित करते हैं, MXCs पर कार्य पिछले कुछ 8 वर्षों से ही हो रहा है। आगे आने वाले 5-10 वर्षों में समूह और बहुत कुछ नयी जानकारी एकत्र कर पायेगा जो कि बहुत उपयोगी होगी और हम एक श्रेष्ठ उपकरण बना पायेंगे।

टीम के परिणाम आनलाइन पत्रिका बायोरिसोर्स टेक्नॉजी (Bioresource Technology) में देखे जा सकते हैं।

प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए सिलिकॉन की अपेक्षा कार्बन नैनो-ट्यूब का प्रयोग …]]>

प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए सिलिकॉन की अपेक्षा कार्बन नैनो-ट्यूब का प्रयोग एक उन्नत विकल्प के रूप में सामने आया है। जिससे कैलक्यूलेटर और आपकी छतों पर लगने वाले सौर ऊर्जा (solar energy) एकत्र करने वाले यंत्रों में आपेक्षिक सुधार होगा।

Cornell के शोधकर्ताओं ने फ़ोटोडायोड कहे जाने वाले सरल सौर सेल को निर्मित किया है। परीक्षण द्वारा उनकी कार्य-प्रणाली को पूर्णरूप से सुनिश्चित किया गया है। यह फ़ोटोडायोड  एक कार्बन नैनोट्यूब (carbon nanotube) से बना है।

कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित फ़ोटोडायोड में इलेक्ट्रॉन नीले और होल्स् लाल रंग से दर्शाये गये हैं।

इस शोध समूह के प्रमुख सदस्य Paul McEuen (भौतिकी के प्राध्यापक), और Jiwoong Park (रसायनशास्त्र और रसायनिक जीव विज्ञान के सहायक प्राध्यापक) हैं। इस शोध में यह दर्शाया गया है यह नयी फ़ोटोडायोड किस प्रकार प्रकाश को विद्युत में प्रभावशाली प्रकिया द्वारा बदल देती है और बहने वाली विद्युत धारा (electrical current) में कई गुना वृद्धि हो जाती है। यह शोध अगली पीढ़ी के उच्च क्षमता सौर सेल का पहला चरण है।

Nathan Gabor(McEuen’s lab के स्नातक छात्र) का कहना है कि हम मात्र एक नये पदार्थ की खोज ही नहीं कर रहे हैं, हम इसका प्रयोग करके एक सच्ची सौर सेल युक्ति (device) को निर्मित कर रहे हैं।

शोधकर्ताओं ने इस सौर सेल सिंगल-वॉलड कार्बन नैनोट्यूब (single-walled carbon nanotube) का प्रयोग किया है जो मूलत: एक graphene की बेलनाकार चादर (rolled-up sheet) है। लगभग डी.एन.ए. (DNA) अणु के बराबर आकार वाली नैनोट्यूब को दो विद्युत संपर्कों (electrical contacts) के मध्य तार द्वारा जोड़ा गया है जो दो विद्युत गेटस् (electrical gates) पर बंद होती है जिसमें से एक ऋण (negatively) और दूसरा धनावेशित (positively charged) है। यह शोध एक पुराने शोध से प्रभावित होकर शुरु किया गया है जिसमें वैज्ञानिकों ने सिंगल-वॉलड नैनोट्यूब का प्रयोग करके एक डायोड बनाया था जो एक सरल ट्रांजिस्टर (transistor) है और विद्युत धारा को केवल एक दिशा में बहने देता है। Cornell का शोध समूह यह जाँचना चाहता था कि क्या होता है जब यह प्रकाश के संपर्क में आती है।

नैनोट्यूब के विभिन्न क्षेत्रों पर अलग-अलग रंग की लेज़र (laser) चमकाने पर यह पाया कि फ़ोटॉन ऊर्जा (photon energy) के उच्च स्तर पर उत्पन्न होने वाली विद्युत धारा के गुणक प्रभाव (multiplying effect) पड़ता है, अर्थात् विद्युत धारा में बढ़ोत्तरी होती है।

शोध के समय यह बात भी सामने आयी कि पतली बेलनाकार आकृति वाली कार्बन नैनोट्यूब इलेक्ट्रॉनस् (electrons) को एक-एक करके जाने देती है। नैनोट्यूब में चलने वाले इलेक्ट्रॉनस् उत्तेजित होकर नये इलेक्ट्रॉनस् को उत्पन्न करते हैं और आगे बढ़ते रहते हैं। यह नैनोट्यूब एक आदर्श फ़ोटो सेल (Ideal Photocell) हो सकती है क्योंकि यह प्रकाश की उपस्तिथि में इलेक्ट्रॉनस् को नये इलेक्ट्रॉनस् बनाने देती है।

यह आज उपयोग किये जा रहे सौर सेल से बिल्कुल ही भिन्न है जिसमें अधिकांश ऊर्जा ऊष्मा  (heat) में रूप में क्षय (lost) हो  जाती है और वातावरणीय तापमान को एक समान बनाये रखने की आवश्यकता रहती है।

Gabor का मानना है कि जो युक्ति (device) बनायी गयी है उसे सस्ता और विश्वसनीय  (reliable) बनाना सबसे बड़ी चुनौती है।

यह शोध Cornell’s Center for Nanoscale Systems और Cornell NanoScale Science and Technology जो कि National Science Foundation से जुड़े हैं, के सहयोग से किया गया है। साथ-साथ Microelectronics Advanced Research Corporation का भी सहयोग रहा है जो कि Materials, Structures and Devices पर ध्यान केंद्रित रखता है। इस शोध में Zhaohui Zhong (University of Michigan) और Ken Bosnick (National Institute for Nanotechnology at University of Alberta) का महत्वपूर्ण योगदान है।