எரிபொருள் செல் ஊக்கி முன்னேற்றம் தரவு மையங்களின் மின் அழுத்தத்தை குறிவைக்கிறது

அளவமைப்பு சிக்கலை நோக்கி உருவாக்கப்பட்ட பொருட்கள் முன்னேற்றம்

செயின்ட் லூயிஸில் உள்ள வாஷிங்டன் பல்கலைக்கழகம் தலைமையிலான ஒரு ஆய்வு குழு, மிகக் குறைந்த அளவு பிளாட்டினத்தைப் பயன்படுத்திக்கொண்டே குறைந்த-வெப்பநிலை ஹைட்ரஜன் எரிபொருள் செல்களை மேலும் நீடித்ததாகவும் திறமையானதாகவும் மாற்றும் நோக்கில் புதிய எரிபொருள் செல் ஊக்கி வடிவமைப்பை வெளியிட்டுள்ளது. ஆக. 6 அன்று Nature Nanotechnology இதழில் வெளியான இந்த ஆய்வு, வேகமாக வளர்ந்து வரும் ஆற்றல் சவாலை மையமாகக் கொண்டுள்ளது: ஏற்கனவே அழுத்தத்தில் உள்ள மின்சார அமைப்புகளுக்கு மேலும் சுமையை ஏற்படுத்தாமல், பெரிய அளவிலான, அதிக மின்சக்தி தேவைப்படும் தரவு மையங்களுக்கு மின்சாரம் வழங்குவது எப்படி என்பதையே இது கேள்விக்கிறது.

இந்த நேரம் தற்செயலானது அல்ல. வழங்கப்பட்ட மூலம் உரைப்படி, Electric Power Research Institute-ன் மதிப்பீட்டின்படி, 2030க்குள் தரவு மையங்கள் ஆண்டுதோறும் அமெரிக்க மின்உற்பத்தியின் 9% வரை பயன்படுத்தக்கூடும்; இது 2023இல் மொத்த மின் தேவையின் 4%இலிருந்து உயர்வாகும். இந்த விரிவாக்கத்தை கணக்கீட்டு வளர்ச்சியும், அடர்த்தியான டிஜிட்டல் கட்டமைப்பை இயக்க தேவையான குளிரூட்டல் சுமைகளும் முன்னெடுக்கின்றன. எனவே, ஆராய்ச்சியாளர்களும் இயக்குநர்களும் தளத்திலேயே அதிக மின்சாரத்தை உருவாக்கவும், மின்கம்பி மீதான சுமையை குறைக்கவும் வழிகளைத் தேடுகின்றனர்.

எரிபொருள் செல்கள் கவனம் பெறும் தொழில்நுட்பங்களில் ஒன்றாகும். அவை ஹைட்ரஜன் மற்றும் ஆக்சிஜனை இணைப்பதன் மூலம் மின்சாரத்தை உருவாக்குகின்றன; இதன் பக்க விளைவுகளாக நீரும் வெப்பமும் உருவாகின்றன. கோட்பாட்டில், ஹைட்ரஜன் எவ்வாறு உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது என்பதைக் கருத்தில் கொண்டு, பாரம்பரிய பாசிலிப்-எரிசக்தி உற்பத்தியை விட குறைந்த வெளியீடுகளுடன் நம்பகமான மின்சாரம் தேவைப்படும் பயன்பாடுகளுக்கு இது ஈர்ப்பாக அமைகிறது. ஆனால் நடைமுறையில், செலவும் நீடித்தன்மையும் இன்னும் பெரிய தடைகளாக உள்ளன; இவ்விரண்டின் மையத்திலும் ஊக்கியின் செயல்திறனே உள்ளது.

பிளாட்டினம் இன்னும் ஏன் சிக்கலாகவே உள்ளது

எரிபொருள் செல்களுக்கான மிகச் செயல்திறன் கொண்ட ஊக்கி பொருட்களில் பிளாட்டினம் ஒன்றாகும்; ஆனால் அது விலையுயர்ந்ததும் அரிதுமானதுமாகும். அதனால், செயல்திறனை பாதிக்காமல் தேவையான அளவைக் குறைக்கும் வழிகளை ஆராய்ச்சியாளர்கள் தேடி வருகின்றனர். புதிய ஆய்வு துல்லியமாக அந்த சமநிலையையே கையாள்கிறது.

மூலம் உரைப்படி, குழு ஒரு நானோஅமைப்பு கொண்ட கார்பன் வடிவமைப்பை உருவாக்கியுள்ளது; இதன் மூலம் ஊக்கிகள் மிகச் சிறிய அளவு பிளாட்டினத்தைப் பயன்படுத்திக்கொண்டே, குறிப்பிடத்தக்க அளவில் நிலைத்ததும் திறமையானதுமாக இருக்க முடிகிறது. நிலைத்தன்மை மீது வைக்கப்பட்டுள்ள முக்கியத்துவம் முக்கியமானது. ஆய்வகத்தில் ஒருமுறை வேலை செய்கிறது என்பதால் எரிபொருள் செல் அமைப்புகள் வணிக ரீதியில் வெற்றி பெறுவதில்லை. மீண்டும் மீண்டும் இயக்கம், வெப்பம், வேதியியல் அழுத்தம் ஆகியவற்றின் கீழ் செயல்திறன் மிக வேகமாக குறையும் போது அவை தோல்வியடைகின்றன.

குறைந்த-வெப்பநிலை எரிபொருள் செல்களுக்கான கடினமான தடைகளில் நீடித்தன்மை ஒன்றாகவே இருந்து வருகிறது. தற்போதுள்ள ஊக்கிகள் அதிக செயல்பாடையும் நீண்ட செயல்பாட்டு ஆயுளையும் இணைப்பதில் பெரும்பாலும் சிரமப்படுகின்றன; இதனால் அமைப்புகள் விலை உயர்வாகவும், எப்போதும் இயங்க வேண்டிய கடுமையான சூழல்களில் அவற்றின் பயன்பாடும் குறைவாகவும் உள்ளது. விலைமதிப்புள்ள உலோகப் பயன்பாட்டை குறைத்தபடியே செயல்திறனை நீண்ட நேரம் காக்கக்கூடிய ஒரு ஊக்கி, இந்த துறையின் மிகப்பெரிய கட்டுப்பாடுகளில் இரண்டையும் ஒரே நேரத்தில் சமாளிக்கிறது.

இந்த ஆய்வில் Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Northeastern University, மற்றும் University of Pittsburgh ஆகிய நிறுவனங்களின் இணைப் பங்களிப்பாளர்கள் இடம்பெற்றிருந்தனர்; இது ஆற்றல் பொருட்கள் பணியின் அதிகரிக்கும் பல்துறை தன்மையைப் பிரதிபலிக்கிறது. இது முக்கியமானது, ஏனெனில் ஊக்கி முன்னேற்றங்கள் அரிதாகவே வெறும் வேதியியல் கதைகளாக மட்டுமே இருக்கும். அவை நானோ அளவிலான வடிவமைப்பு, மேம்பட்ட பண்பாய்வு, மின்வேதியியல், மற்றும் நிஜமான செயல்திறன் சோதனை ஆகியவற்றை சார்ந்திருக்கின்றன.

தரவு மையங்கள் ஏன் தலைப்பு பயன்பாடாக உள்ளன

இந்த முன்னேற்றத்தை கட்டுரையில் நேரடியாக தரவு மைய மின்சாரத்துடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளது. அந்த தொடர்பு நடைமுறைக்கு ஏற்றது. பயன்பாட்டு நிறுவனங்கள், டெவலப்பர்கள், மற்றும் கொள்கை அமைப்பாளர்களுக்கு தரவு மையங்கள் ஒரு வரையறுக்கும் கட்டமைப்பு சவாலாக மாறி வருகின்றன; ஏனெனில் அவற்றின் தேவை வளர்ச்சி பெரிதும், ஒரே இடத்தில் குவிந்தும், தாமதப்படுத்த கடினமானதுமாக உள்ளது. தளத்திலேயே மின்உற்பத்தி, மீள்பெறுதலுக்காக மட்டுமன்றி வேகத்துக்காகவும் இப்போது ஈர்ப்பாகியுள்ளது. சில பகுதிகளில், பெரிய புதிய கணினி வளாகத்திற்கான போதிய மின்கம்பி திறனை உறுதிசெய்ய ஆண்டுகள் ஆகலாம்.

எரிபொருள் செல்கள் மேலும் செலவுத்திறன் மிக்கதும் நீண்ட ஆயுளுடையதுமானவையாக மாறினால், இயக்குநர்கள் மின்கம்பியை முழுமையாக நம்பாமல் தங்களுக்குத் தேவையான மின்சாரத்தின் ஒரு பகுதியையாவது தாங்களே உருவாக்கும் வழியைப் பெறலாம். மூலம் உரையில், முன்னணி ஆராய்ச்சியாளர் Gang Wu கூறுவதன்படி, எரிபொருள் செலைக் கொண்டு தன் மின்சாரத்தைத் தானே வழங்கும் தரவு மையம் ஹைட்ரஜன் மற்றும் பிற எரிபொருட்களை நேரடியாக மின்சாரமாக மாற்றி, மின்கம்பி மீதான சுமையை குறைக்கும். பொருட்கள் அறிவியலைத் தாண்டி இதுதான் நடைமுறை அமைப்பு-நிலை வாதம்.

இன்னும் சில எச்சரிக்கைகள் உள்ளன. மேம்பட்ட ஊக்கிகள் குறைந்த-வெப்பநிலை எரிபொருள் செல்களின் பயன்பாட்டை விரிவுபடுத்தக்கூடும் என்பதற்கான சாத்தியத்தை இந்த ஆய்வு ஆதரிக்கிறது; ஆனால் தரவு மையங்கள் விரைவில் பெருமளவில் இதற்குச் செல்லப்போகின்றன என்று அது காட்டவில்லை. உண்மையான செயல்படுத்தல் ஹைட்ரஜன் வழங்கல், முதலீட்டு செலவுகள், அமைப்பு ஒருங்கிணைப்பு, பாதுகாப்பு, மற்றும் எரிவாயு டர்பைன்கள், பேட்டரிகள், மின்கம்பி மேம்பாடுகள் போன்ற போட்டித் தொழில்நுட்பங்களின் பொருளாதாரம் ஆகியவற்றைப் பொறுத்தது. இருப்பினும், ஒரு ஊக்கி மேம்பாடு முக்கியமானதாக இருக்கலாம், ஏனெனில் ஸ்டாக் செயல்திறனும் நீடித்தன்மையும் முழு அமைப்பின் பொருளாதாரத்தை பாதிக்கின்றன.

தரவு மையங்களைத் தாண்டி

தரவு மையங்களே இந்தக் கட்டுரையின் மையமாக இருந்தாலும், அதன் விளைவுகள் இதைவிட விரிவானவை. மூலம் உரை, வாகனங்கள் மற்றும் பிற ஆற்றல்-மிகை தொழில்நுட்பங்களில் பயன்படுத்தும் சாத்தியத்தையும் வெளிப்படையாகக் குறிப்பிடுகிறது. இது ஊக்கி தள முன்னேற்றங்களுக்கு வழக்கமான ஒன்றுதான்: ஒரு பொருள் வலுவான செயல்பாடும் நீடித்தன்மையும் காட்டியவுடன், உடனடி உருவாக்க காரணம் ஒரு சந்தையாக இருந்தாலும் பல பயன்பாடுகள் அதனால் பயன் பெறலாம்.

இந்தப் பணி பெரிய ஆற்றல் மாற்றப் போக்கையும் எடுத்துக்காட்டுகிறது. பல உருவாகும் சுத்த ஆற்றல் அமைப்புகள் கருத்தியல் ரீதியாக சாத்தியமற்றவை என்பதால் தடுக்கப்படுவதில்லை. அவை மிக விலை உயர்வாக, மிகக் குறுகிய ஆயுளுடன், அல்லது அளவில் விரிவுபடுத்தக் கடினமாக இருப்பதற்குக் காரணமான பொருள் வரம்புகளால் தடுக்கப்படுகின்றன. ஆகவே, விலைமதிப்புள்ள உலோகச் சார்பைக் குறைத்து, பயன்பாட்டு ஆயுளை நீட்டிக்கும் சிறிய முன்னேற்றங்களுக்கே பெரும் தாக்கம் இருக்க முடியும்.

ஹைட்ரஜன் எரிபொருள் செல்களுக்கு, இந்த தொழில்நுட்பம் பல ஆண்டுகளாக வாக்குறுதி மற்றும் நடைமுறை ஆகியவற்றுக்கு நடுவில் சிக்கித் தவித்துள்ளது என்பதால் இது முக்கியம். ஆதரவாளர்கள் தூய மின்வேதியியல் மாற்றமும் வேகமான பதிலும் என்பதைக் குறிப்பிடுகின்றனர். விமர்சகர்கள் செலவுகள், கட்டமைப்பு இடைவெளிகள், மற்றும் நீடித்தன்மை சவால்களைச் சுட்டிக்காட்டுகின்றனர். இங்கு போலிய முன்னேற்றங்கள் அந்த விவாதத்தை முடிவுக்கு கொண்டு வரவில்லை; ஆனால் பொறியியல் அடித்தளத்தை முன்னேற்றுகின்றன.

இங்கே அறிக்கையிடப்பட்ட நானோஅமைப்பு கொண்ட கார்பன் வடிவமைப்பு, முழுமையான வணிகப் பொருளாக değil, செயல்படுத்தலை இயல்பாக்கும் ஒரு முடிவாகக் காணப்படுவது சிறந்தது. இது குறைந்த பிளாட்டினம் சார்பும், இயக்கத்தின் கீழ் அதிக எதிர்ப்புத் தன்மையும் கொண்ட ஊக்கிகளுக்கான பாதையை சுட்டிக்காட்டுகிறது; பரந்த அளவில் ஏற்றுக்கொள்ளப்படுவதற்கு தேவையான துல்லியமான இணைப்பும் இதுவே. தொடர்ந்த ஆய்வுகள் அளவில் செயல்திறனை உறுதிப்படுத்தினால், அதன் தாக்கம் காப்புப் பயன்பாடு மற்றும் பகிர்ந்தளிக்கப்பட்ட மின்உற்பத்தியிலிருந்து போக்குவரத்து மற்றும் தொழில்துறை மின்சார அமைப்புகளுக்குத் தாவக்கூடும்.

இந்த ஆய்வை குறிப்பாக கவனிக்கத்தக்கதாக்குவது, அது நிஜமான, நெருங்கிய கால தேவையின் உயர்வுடன் ஒத்திசைவதாக இருப்பதே. தரவு மைய மின்சார பயன்பாடு இனி ஊகமான எதிர்கால பிரச்சினை அல்ல. அது மின்கம்பி திட்டமிடல் மற்றும் கட்டமைப்பு முதலீட்டில் ஏற்கெனவே ஒரு செயலில் இருக்கும் கட்டுப்பாடாக உள்ளது. இது எரிபொருள் செல் ஆராய்ச்சிக்கு, கடந்த காலத்தை விட தெளிவான இலக்கை வழங்குகிறது.

இப்போதைக்கு, ஆற்றல் கட்டமைப்பு சிக்கல்கள் பெரும்பாலும் ஒரு பொருள் அடுக்கின்பின் இன்னொரு பொருள் அடுக்கு மாற்றப்படுவதன் மூலம் தீர்க்கப்படுகின்றன என்பதை இந்த முடிவு நினைவூட்டுகிறது. குறைந்த பிளாட்டினம் பயன்பாடு மற்றும் நீண்டகால நிலைத்தன்மையை மையமாகக் கொண்டு ஊக்கி ஆதரவு அமைப்பை மறுவடிவமைத்ததன் மூலம், வாஷிங்டன் பல்கலைக்கழகம் தலைமையிலான குழு புதிரின் ஒரு முக்கியப் பகுதியைக் கொடுத்திருக்கிறது. இது வணிகத் திருப்புமுனையாக மாறுமா என்பது அளவாக்கம், அமைப்பு ஒருங்கிணைப்பு, மற்றும் ஹைட்ரஜன் பொருளாதாரம் ஆகியவற்றில் அடுத்ததாக என்ன நடக்கிறது என்பதையே பொறுத்தது; ஆனால் நகர்வு எந்த திசையில் இருக்கிறது என்பது தெளிவாக உள்ளது.

இந்தக் கட்டுரை Science Daily-யின் செய்தியிடலை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மூலக் கட்டுரையைப் படிக்கவும்.