फ्युएल-सेल कॅटॅलिस्टमधील प्रगती डेटा सेंटरच्या वीज ताणावर लक्ष केंद्रित करते

ग्रिड समस्येवर लक्ष केंद्रित केलेली पदार्थविज्ञानातील झेप

सेंट लुईसमधील वॉशिंग्टन युनिव्हर्सिटीच्या नेतृत्वाखालील संशोधन पथकाने कमी-तापमानाच्या हायड्रोजन फ्युएल सेल्सना अधिक टिकाऊ आणि अधिक कार्यक्षम बनवण्यासाठी, अत्यल्प प्रमाणात प्लॅटिनम वापरणारी नवी फ्युएल-सेल कॅटॅलिस्ट रचना सादर केली आहे. 6 ऑगस्ट रोजी Nature Nanotechnology मध्ये प्रकाशित झालेल्या या कामाचा केंद्रबिंदू वेगाने वाढणारे ऊर्जा आव्हान आहे: आधीच ताणाखाली असलेल्या वीज यंत्रणांवर आणखी भार न टाकता, प्रचंड वीज लागणाऱ्या डेटा सेंटर्सना कशी ऊर्जा द्यायची.

याचा कालखंड योगायोगाने आलेला नाही. दिलेल्या मूळ मजकुरानुसार, Electric Power Research Institute च्या अंदाजानुसार 2030 पर्यंत डेटा सेंटर्स अमेरिकेतील वार्षिक वीज उत्पादनाच्या 9% पर्यंत वाटा घेऊ शकतात, जे 2023 मध्ये एकूण वीज मागणीच्या 4% होते. संगणकीय वाढ आणि घन डिजिटल पायाभूत सुविधा चालवण्यासाठी लागणारे कूलिंग लोड्स या विस्ताराला चालना देत आहेत. त्यामुळे संशोधक आणि ऑपरेटर अधिक वीज जागेवर निर्माण करण्याचे आणि ग्रिडवरील भार कमी करण्याचे मार्ग शोधत आहेत.

फ्युएल सेल्स हे लक्ष वेधून घेणाऱ्या तंत्रज्ञानांपैकी एक आहेत. त्या हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन एकत्र करून वीज निर्माण करतात, आणि उपउत्पादन म्हणून पाणी व उष्णता तयार होते. सैद्धांतिकदृष्ट्या, हायड्रोजन कसे तयार केले जाते यावर अवलंबून, पारंपरिक जीवाश्म-आधारित निर्मितीपेक्षा कमी उत्सर्जनासह विश्वासार्ह वीज हवी असलेल्या अनुप्रयोगांसाठी त्या आकर्षक ठरतात. पण प्रत्यक्षात, खर्च आणि टिकाऊपणा हे मोठे अडथळे राहिले आहेत, आणि या दोन्हींच्या केंद्रस्थानी कॅटॅलिस्टची कार्यक्षमता आहे.

प्लॅटिनम अजूनही का समस्या आहे

फ्युएल सेल्ससाठी प्लॅटिनम हे सर्वात प्रभावी कॅटॅलिस्ट पदार्थांपैकी एक आहे, पण ते महाग आणि दुर्मिळ आहे. त्यामुळे कार्यक्षमता बिघडू न देता लागणारे प्रमाण कमी करण्याचे मार्ग संशोधक शोधत आहेत. नवीन अभ्यास नेमका हाच तोल सांभाळतो.

मूळ मजकुरानुसार, पथकाने नॅनो-संरचित कार्बन डिझाइन विकसित केले आहे, ज्यामुळे कॅटॅलिस्ट फारच कमी प्लॅटिनम वापरूनही उल्लेखनीय स्थिरता आणि कार्यक्षमता राखू शकतात. स्थिरतेवर दिलेला भर निर्णायक आहे. फ्युएल-सेल प्रणाली प्रयोगशाळेत एकदा काम केल्या म्हणून व्यावसायिकदृष्ट्या यशस्वी होत नाहीत. वारंवार चालवताना उष्णता आणि रासायनिक ताणामुळे कार्यक्षमता झपाट्याने घसरली, तर त्या अपयशी ठरतात.

कमी-तापमान फ्युएल सेल्समध्ये टिकाऊपणा हे सर्वात कठीण अडथळ्यांपैकी एक राहिले आहे. विद्यमान कॅटॅलिस्टना बहुतेकदा उच्च क्रियाशीलता आणि दीर्घ कार्यकाळ एकत्र राखणे जमत नाही, त्यामुळे प्रणाली महाग राहते आणि मागणी असलेल्या, सतत चालू असलेल्या वातावरणात त्यांचा वापर मर्यादित राहतो. मौल्यवान धातूंचा भार कमी करतानाच कार्यक्षमता जास्त काळ टिकवू शकणारा कॅटॅलिस्ट या क्षेत्रातील दोन मोठ्या मर्यादा एकाच वेळी हाताळतो.

या संशोधनात Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Northeastern University, आणि University of Pittsburgh येथील सहकाऱ्यांचा सहभाग होता, ज्यातून ऊर्जा-पदार्थ संशोधनाचे वाढते बहुविषयक स्वरूप दिसून येते. कॅटॅलिस्टमधील प्रगती केवळ रसायनशास्त्राची कहाणी नसते, हे यामुळे स्पष्ट होते. ती नॅनोस्केल रचना, प्रगत वैशिष्ट्यनिर्धारण, इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री, आणि वास्तववादी कार्यक्षमता चाचण्या यांवर अवलंबून असते.

डेटा सेंटर्स हे ठळक अनुप्रयोग का आहेत

हा लेख या झेपेला थेट डेटा-सेंटर वीजेशी जोडतो. तो संबंध व्यावहारिक आहे. वीज कंपन्या, विकासक, आणि धोरणकर्त्यांसाठी डेटा सेंटर्स एक निर्णायक पायाभूत सुविधा आव्हान बनत आहेत, कारण त्यांची मागणी मोठी, केंद्रित, आणि विलंब नको अशी आहे. जागेवरच वीज निर्मिती केवळ लवचिकतेसाठीच नव्हे, तर वेगासाठीही आकर्षक ठरते. काही प्रदेशांमध्ये, मोठ्या नव्या संगणकीय परिसरासाठी पुरेशी ग्रिड क्षमता मिळविण्यास वर्षे लागू शकतात.

फ्युएल सेल्स अधिक किफायतशीर आणि दीर्घायुषी झाल्या, तर ऑपरेटरांना ग्रिडवर पूर्णपणे अवलंबून न राहता स्वतःची काही वीज स्वतःच निर्माण करण्याचा मार्ग मिळू शकतो. मूळ मजकुरात प्रमुख संशोधक Gang Wu म्हणतात की, फ्युएल सेलद्वारे स्वतःची वीज पुरवणारे डेटा सेंटर हायड्रोजन आणि इतर इंधनांचे थेट विजेमध्ये रूपांतर करेल, आणि त्यामुळे ग्रिडवरील भार कमी होईल. हाच या पदार्थविज्ञानामागील व्यावहारिक प्रणाली-स्तरीय युक्तिवाद आहे.

तरीही काही सावधगिरी आवश्यक आहे. या अभ्यासातून सुधारित कॅटॅलिस्ट कमी-तापमान फ्युएल सेल्सचा वापर वाढवू शकतात अशी शक्यता बळकट होते; पण डेटा सेंटर्स लवकरच मोठ्या प्रमाणावर रूपांतरित होतील असे तो दाखवत नाही. प्रत्यक्ष तैनाती हायड्रोजन पुरवठा, भांडवली खर्च, प्रणाली एकत्रीकरण, सुरक्षा, आणि गॅस टर्बाइन्स, बॅटऱ्या, तसेच ग्रिड अपग्रेड्ससारख्या स्पर्धक तंत्रज्ञानांच्या अर्थकारणावर अवलंबून आहे. तरीही कॅटॅलिस्ट सुधारणा महत्त्वाची ठरते, कारण स्टॅकची कामगिरी आणि आयुष्य संपूर्ण प्रणालीच्या अर्थकारणावर परिणाम करतात.

डेटा सेंटर्सच्या पलीकडे

डेटा सेंटर्स हे जरी मुख्य केंद्रबिंदू असले, तरी त्याचे परिणाम त्यापुढेही जातात. मूळ मजकुरात वाहनांमध्ये आणि इतर ऊर्जा-गहन तंत्रज्ञानांमध्ये संभाव्य वापर स्पष्टपणे नमूद केला आहे. कॅटॅलिस्ट प्लॅटफॉर्मवरील प्रगतीचे हेच वैशिष्ट्य असते: एखाद्या पदार्थाने मजबूत क्रियाशीलता आणि टिकाऊपणा दाखवला, की एकाच बाजारात तातडीचे कारण असले तरी अनेक अनुप्रयोगांना फायदा होऊ शकतो.

हे काम मोठ्या ऊर्जा संक्रमणाच्या एका नमुन्याचेही द्योतक आहे. उदयोन्मुख स्वच्छ-ऊर्जा प्रणालींपैकी अनेकांना संकल्पनात्मक शक्यतेचा अभाव अडवत नाही. त्यांना अडवत असतो तो पदार्थमर्यादा, ज्यामुळे त्या अतिशय महाग, फार कमी टिकाऊ, किंवा प्रमाण वाढवणे कठीण ठरतात. त्यामुळे कॅटॅलिस्ट रचनेतील सूक्ष्म सुधारणा मौल्यवान धातूंवरील अवलंबित्व कमी करून आणि उपयोगी आयुष्य वाढवून मोठा परिणाम घडवू शकतात.

हायड्रोजन फ्युएल सेल्ससाठी ते महत्त्वाचे आहे, कारण ही तंत्रज्ञान वर्षानुवर्षे आशा आणि प्रत्यक्षता यांच्या मध्ये अडकलेली आहे. समर्थक स्वच्छ इलेक्ट्रोकेमिकल रूपांतरण आणि जलद प्रतिसाद याकडे लक्ष वेधतात. टीकाकार खर्च, पायाभूत सुविधांची उणीव, आणि टिकाऊपणाच्या आव्हानांकडे लक्ष देतात. अशा प्रगतींनी हा वाद मिटत नाही, पण त्या अभियांत्रिकीची सुरुवातीची पातळी उंचावतात.

इथे नोंदवलेली नॅनो-संरचित कार्बन रचना ही अंतिम व्यावसायिक उत्पादनापेक्षा सक्षम करणारा परिणाम म्हणून पाहणे योग्य ठरेल. ती कमी प्लॅटिनम-प्रधान आणि संचालनादरम्यान अधिक लवचिक कॅटॅलिस्टकडे जाणारा मार्ग दाखवते, आणि व्यापक स्वीकारासाठी नेमकी हीच जोड आवश्यक आहे. पुढील कामाने मोठ्या प्रमाणावर कामगिरीची पुष्टी केली, तर परिणाम बॅकअप आणि वितरित निर्मितीपासून वाहतूक आणि औद्योगिक वीज प्रणालींपर्यंत पसरू शकतो.

या अभ्यासाला विशेषतः उल्लेखनीय बनवणारी गोष्ट म्हणजे तो प्रत्यक्ष, नजीकच्या मागणीतील वाढीशी जुळतो. डेटा-सेंटर वीज वापर आता काल्पनिक भविष्यकाळातील प्रश्न राहिलेला नाही. तो ग्रिड नियोजन आणि पायाभूत गुंतवणुकीतील सक्रिय मर्यादा आहे. त्यामुळे फ्युएल-सेल संशोधनाला पूर्वीपेक्षा अधिक स्पष्ट लक्ष्य मिळाले आहे.

सध्या, ऊर्जा पायाभूत सुविधांच्या समस्या अनेकदा एकेक पदार्थस्तर सुधारत सोडविल्या जातात, याची आठवण हा निकाल करून देतो. किमान प्लॅटिनम वापर आणि दीर्घकालीन स्थिरता यांभोवती कॅटॅलिस्ट सपोर्ट संरचना पुन्हा डिझाइन करून वॉशिंग्टन युनिव्हर्सिटी-नेतृत्वाखालील पथकाने या कोड्याचा एक महत्त्वाचा भाग मांडला आहे. तो व्यावसायिक वळणबिंदू बनेल की नाही, हे पुढील स्केल-अप, प्रणाली एकत्रीकरण, आणि हायड्रोजन अर्थकारणात काय घडते यावर अवलंबून असेल, पण दिशा स्पष्ट आहे.

हा लेख Science Daily च्या वृत्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.