স্কেলযোগ্য হাইড্রোজেন ও গ্রাফাইট সহউৎপাদনের দিকে অটোথার্মাল মিথেন পাইরোলাইসিস

পুরনো প্রতিক্রিয়াকে নতুনভাবে দেখা

হাইড্রোজেনকে প্রায়ই পরিষ্কার জ্বালানি বলা হয়, কিন্তু সব হাইড্রোজেন এক নয়। আজকের শিল্প হাইড্রোজেনের বেশিরভাগই আসে স্টিম মিথেন রিফর্মিং থেকে, যা উল্লেখযোগ্য পরিমাণ কার্বন ডাইঅক্সাইড নির্গত করে। Science পত্রিকার 2026 সালের সেপ্টেম্বর সংখ্যায় প্রকাশিত একটি গবেষণা প্রবন্ধ, ভলিউম 393, ইস্যু 6815, পৃষ্ঠা 1014–1020, এমন একটি বিকল্প পদ্ধতির দিকে নজর দেয় যা ওই কার্বন-ভার কমাতে পারে: স্কেলযোগ্য তাপ একীভবনের সঙ্গে অটোটার্মাল মিথেন পাইরোলাইসিস। গবেষণাটি একই রিঅ্যাক্টরে হাইড্রোজেন এবং গ্রাফাইট উৎপাদনের ওপর কেন্দ্রীভূত, এমন একটি ধারণা যা গবেষক ও পরিষ্কার-জ্বালানি উদ্যোগের মধ্যে ক্রমশ আগ্রহ পাচ্ছে, কারণ কঠিন কার্বন উপজাতটি বাতাসে ছেড়ে না দিয়ে বিক্রি করা বা সংরক্ষণ করা যেতে পারে।

মূল প্রতিক্রিয়াটি প্রতারণামূলকভাবে সহজ। একটি কার্বন পরমাণু ও চারটি হাইড্রোজেন পরমাণু নিয়ে গঠিত মিথেন খুব উচ্চ তাপমাত্রায় ভেঙে কঠিন কার্বন ও হাইড্রোজেন গ্যাসে পরিণত হয়। আদর্শীকৃত সমীকরণ—CH4 to C plus 2H2—দেখায় কেন এই প্রক্রিয়াটি এত মনোযোগ কেড়েছে: এতে হাইড্রোজেন পাওয়া যায়, কিন্তু CO2 উৎপাদনকারী কোনো অন্তর্নিহিত ধাপ নেই। তবে এই বিয়োজন শক্তভাবে এন্ডোথার্মিক, অর্থাৎ এটি এগোতে শক্তি দরকার। তাপমাত্রা উঁচু রাখা এবং রিঅ্যাক্টরকে কার্বনে ফাউলিং হতে না দেওয়া কঠিন। নতুন কাজটিতে তাপ একীভবনের ওপর জোর দেওয়া হয়েছে, যা শক্তি সরবরাহের সমস্যার সমাধানের দিকে একটি পদক্ষেপ নির্দেশ করে।

অটোটার্মাল নকশা ও তাপ একীভবন কেন গুরুত্বপূর্ণ

প্রস্তাবিত অনেক মিথেন পাইরোলাইসিস ব্যবস্থায় চুল্লির দেয়াল, বৈদ্যুতিক রেজিস্ট্যান্স হিটার বা গলিত মাধ্যমের মাধ্যমে বাইরে থেকে তাপ দেওয়া হয়। পরীক্ষাগার পর্যায়ে বাহ্যিক উত্তাপ কাজ করলেও, শিল্পপর্যায়ে স্কেল বাড়ালে তা অদক্ষ ও ব্যয়বহুল হয়ে উঠতে পারে। এর বিপরীতে, একটি অটোটার্মাল রিঅ্যাক্টর নিজের ভেতরেই তাপ তৈরি করে। মিথেন পাইরোলাইসিসের ক্ষেত্রে এর অর্থ সাধারণত মিথেনের একটি অংশ বা অন্য কোনো জ্বালানিকে একটি এক্সোথার্মিক প্রতিক্রিয়ায়, প্রায়ই অক্সিজেনের সঙ্গে দহনের মাধ্যমে, প্রবেশ করানো, যাতে অবশিষ্ট মিথেনের পাইরোলাইসিসের জন্য প্রয়োজনীয় উচ্চ তাপমাত্রা পাওয়া যায়।

দহন ও পাইরোলাইসিস অঞ্চলকে একীভূত করলে তাপ সরাসরি এন্ডোথার্মিক প্রতিক্রিয়ায় পৌঁছাতে পারে, ফলে বড় হিট-এক্সচেঞ্জ পৃষ্ঠ এবং বাইরের জ্বালানিচালিত চুল্লির প্রয়োজন কমতে পারে। এটাই ধারণাটিকে স্কেলযোগ্য কৌশল হিসেবে আকর্ষণীয় করে তোলে। তবে এর সঙ্গে নকশাগত জটিলতাও আসে:

• অক্সিডেন্ট হাইড্রোজেন পণ্যকে পাতলা করতে পারে, ফলে পরিশোধন ব্যয় বাড়ে।
• দহনে CO2 তৈরি হয়, যা প্রক্রিয়ার কার্বন ভারসাম্যে হিসাব করতে হয়।
• উপযোগী কঠিন কার্বন পেতে তাপমাত্রা ও কার্বনের আবাসকাল এমনভাবে ঠিক করতে হয় যাতে অ্যামরফাস সুট বা চার না হয়।

“স্কেলযোগ্য তাপ একীভবন” নিয়ে প্রবন্ধের জোর দেখায় যে রিঅ্যাক্টর-স্তরের এই সমঝোতাগুলোই গবেষণার কেন্দ্রবিন্দু। উচ্চ-তাপ রাসায়নিক প্রক্রিয়ায় তাপ পুনরুদ্ধার সর্বাধিক করা এবং ক্ষতি কমানো অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। দহন তাপকে পাইরোলাইসিসের সঙ্গে আরও ভালোভাবে যুক্ত করতে পারে এমন যেকোনো অগ্রগতি মিথেন পাইরোলাইসিসকে বাণিজ্যিক বাস্তবতার কাছাকাছি নিয়ে যেতে পারে।

হাইড্রোজেনের সঙ্গে গ্রাফাইটও

মিথেন পাইরোলাইসিসের একটি আকর্ষণীয় দিক হলো, কার্বন আউটপুট মূল্যবান হতে পারে। প্রতিক্রিয়ার অবস্থার ওপর নির্ভর করে কার্বন কার্বন ব্ল্যাক, গ্রাফিটিক কার্বন বা উচ্চতর মানের গ্রাফাইটের রূপ নিতে পারে। গ্রাফাইট লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির অ্যানোড, লুব্রিক্যান্ট, রিফ্র্যাক্টরি, স্টিল তৈরির ইলেকট্রোড এবং নানা উন্নত উপকরণে ব্যবহৃত হয়। পরিবহন বিদ্যুতায়নের সঙ্গে ব্যাটারি-গ্রেড গ্রাফাইটের চাহিদা বাড়ায়, গ্রাফাইট সহউৎপাদন মিথেন-ভিত্তিক হাইড্রোজেনের অর্থনীতি উন্নত করতে পারে।

যদি কঠিন কার্বন যথেষ্ট বিশুদ্ধ ও স্ফটিকীকৃত হয়, তা শিল্প উপাদান হিসেবে বিক্রি করা যেতে পারে, অর্থাৎ হাইড্রোজেনের সঙ্গে আয়-উৎপাদনকারী পণ্যও তৈরি হয়। কার্বনের মান কম হলে, সেই কঠিন অংশ সংরক্ষণ করা বা নির্মাণসামগ্রীতে ব্যবহার করা যেতে পারে। যেভাবেই হোক, রিফর্মিংয়ে উৎপন্ন বায়বীয় CO2-এর তুলনায় এই প্রতিক্রিয়ার কঠিন আউটপুট পরিবেশগত সুবিধা দেয়। কার্বন যেখানেই যাক না কেন, গ্রাফাইট সহউৎপাদন প্রবন্ধের শিরোনামে স্পষ্টভাবে উল্লেখিত, যা দেখায় যে রিঅ্যাক্টরের শর্ত ও কার্বনের মান প্রতিবেদিত কাজের কেন্দ্রীয় বিবেচনা।

টারকোয়াইজ হাইড্রোজনের দিকে

তাপীয় বিয়োজনের মাধ্যমে মিথেন থেকে উৎপন্ন হাইড্রোজেনকে কখনও “টারকোয়াইজ হাইড্রোজেন” বলা হয়, যা গ্রে হাইড্রোজেন, ব্লু হাইড্রোজেন এবং গ্রিন হাইড্রোজেন থেকে আলাদা। প্রতিক্রিয়াটি পরিষ্কার তাপে চালিত হলে এবং মিথেন প্রাকৃতিক গ্যাস বা নবায়নযোগ্য বায়োগ্যাস থেকে এলে এটি নিম্ন-কার্বন হিসেবে বিবেচিত হয়। কার্বন কঠিন আকারে সংগ্রহ করা হলে, এই প্রক্রিয়ায় ভূগর্ভস্থ কার্বন ক্যাপচার ও স্টোরেজের প্রয়োজন এড়ানো যেতে পারে। এই সুবিধার কারণে একাডেমিক দল ও কোম্পানিগুলো গলিত ধাতু রিঅ্যাক্টর, প্লাজমা টর্চ এবং মিথেন বিয়োজনের অনুঘটকভিত্তিক ব্যবস্থাগুলো অনুসন্ধান করছে।

সব পদ্ধতিরই একই তাপগত চ্যালেঞ্জ আছে: টেকসই তাপ, অনুঘটক, বা উভয়ই না থাকলে প্রতিক্রিয়া ধীর ও অসম্পূর্ণ থাকে। একটি স্কেলযোগ্য অটোটার্মাল কৌশল বিতরণকৃত বা বৃহৎ-পরিসরের হাইড্রোজেন উৎপাদনে এই প্রক্রিয়া প্রয়োগকে অনেক সহজ করতে পারে। নতুন Science প্রবন্ধটি, এর গ্রন্থসূচি অনুযায়ী, এমন তাপ একীভবন বাস্তবে কীভাবে অর্জন করা যায় তা পর্যালোচনা করে।

প্রকাশনা কী যোগ করে

প্রবন্ধটি American Association for the Advancement of Science-এর জার্নাল Science-এর Research বিভাগে প্রকাশিত হয়েছে। এর DOI 10.1126/science.aed4911। উচ্চ-প্রোফাইল বহুবিষয়ক জার্নালে এর স্থান পাওয়া নির্দেশ করে যে বিষয়টি রসায়নবিদ, রাসায়নিক প্রকৌশলী এবং জ্বালানি গবেষকদের জন্য ব্যাপক আগ্রহের। এতে রিঅ্যাক্টর নকশা, তাপ ব্যবস্থাপনা এবং কার্বন পণ্যের মান নিয়ে পরীক্ষামূলক প্রদর্শন বা প্রক্রিয়া বিশ্লেষণ থাকতে পারে। প্রকৌশলগত বিবরণ জানতে আগ্রহী পাঠকেরা Science-এর ওয়েবসাইটে পূর্ণ পাঠ পাবেন।

এর প্রযুক্তিগত অবদানের বাইরে, এই প্রকাশনা হাইড্রোজেন উৎপাদন ও কার্বন উপকরণের সংযোগস্থলে আরও কাজকে উসকে দিতে পারে। আলোচিত প্রক্রিয়াটি আজকের জীবাশ্ম-ভিত্তিক হাইড্রোজেন অর্থনীতি এবং এমন এক ভবিষ্যতের মধ্যে সেতু হতে পারে, যেখানে কার্বনকে নির্গমন নয়, একটি পণ্য হিসেবে দেখা হয়। মিথেন পাইরোলাইসিসকে তাপগতভাবে স্বনির্ভর করা যায় তা দেখিয়ে লেখকেরা দ্রুত বাড়তে থাকা মিথেন রূপান্তর প্রযুক্তির পরিমণ্ডলে একটি মূল্যবান তথ্য যোগ করেছেন। যদি স্কেলযোগ্য তাপ একীভবন বাস্তবসম্মত প্রমাণিত হয়, তবে হাইড্রোজেন ও গ্রাফাইট এমন এক প্রক্রিয়ার যুগল আউটপুট হয়ে উঠতে পারে, যা মিথেনের ব্যবহার নতুনভাবে ভাবতে শেখায়।

এটি এখন কেন গুরুত্বপূর্ণ

সময়টি গুরুত্বপূর্ণ। দেশগুলো হাইড্রোজেন কৌশল বাড়াচ্ছে, কিন্তু প্রাকৃতিক গ্যাস-ভিত্তিক হাইড্রোজেন থেকে নির্গমন নিয়ে উদ্বেগ রয়ে গেছে। ব্যাপকভাবে উপলব্ধ প্রাকৃতিক গ্যাস থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদন করে CO2-কে প্রধান বর্জ্যপ্রবাহ হিসেবে এড়াতে পারে এমন কয়েকটি পথের একটি হলো মিথেন পাইরোলাইসিস। বাইরের উত্তাপপ্রদ ইউনিটের তুলনায় অটোটার্মাল রিঅ্যাক্টর সহজতর বিন্যাসে নির্মাণ করা যায়, যা ছোট থেকে মাঝারি আকারের স্থাপনার মূলধনী খরচ কমাতে পারে। আর ব্যাটারি বুমের কারণে গ্রাফাইটের দামে ঊর্ধ্বমুখী চাপ থাকায়, কার্বন সহউৎপাদন আর ফেলে দেওয়ার মতো বিরক্তিকর উপপণ্য নয়।

বৃহৎ পরিসরে প্রয়োগের আগে এখনও কিছু বাধা রয়েছে। উৎস মিথেন সতর্কতার সঙ্গে পরিচালনা করতে হবে, অটোটার্মাল ব্যবস্থার দহন ধাপে কিছু CO2 তৈরি হতে পারে যদি না নিম্ন-কার্বন শক্তি থেকে অক্সিজেন উৎপন্ন করা হয় এবং/অথবা ক্যাপচার প্রয়োগ করা হয়, এবং পণ্য পৃথকীকরণ কার্যকর হতে হবে। Science প্রবন্ধটি পাজলের একটি, যদিও কেন্দ্রীয়, অংশ নিয়ে কাজ করে: স্কেলযোগ্যতা নষ্ট না করে কীভাবে তাপ একীভূত করা যায়। এর মাধ্যমে এটি গবেষক ও শিল্পপতিদের কাছে দেখায় যে অটোটার্মাল মিথেন পাইরোলাইসিস হাইড্রোজেন সরবরাহ শৃঙ্খলে কীভাবে অবদান রাখতে পারে। নিম্ন-কার্বন জ্বালানির দৌড় অনুসরণকারীদের জন্য Science-এর 2026 সালের সেপ্টেম্বর সংখ্যার পৃষ্ঠাগুলি পড়া সত্যিই মূল্যবান।

এই প্রবন্ধটি Science (AAAS)-এর প্রতিবেদনের ওপর ভিত্তি করে তৈরি। মূল প্রবন্ধটি পড়ুন.