ఫ్యూయల్-సెల్ క్యాటలిస్ట్‌లో పురోగతి డేటా సెంటర్ల పవర్ ఒత్తిడిని తగ్గించడాన్ని లక్ష్యంగా పెట్టుకుంది

గ్రిడ్ సమస్యను లక్ష్యంగా పెట్టుకున్న ఒక పదార్థాల పురోగతి

సెయింట్ లూయిస్‌లోని వాషింగ్టన్ యూనివర్సిటీ నేతృత్వంలోని పరిశోధన బృందం, తక్కువ ఉష్ణోగ్రత హైడ్రోజన్ ఫ్యూయల్ సెల్‌లను మరింత దీర్ఘకాలికంగా, సమర్థవంతంగా మార్చే ఉద్దేశంతో, అతి చిన్న పరిమాణంలోనే ప్లాటినం ఉపయోగించే కొత్త ఫ్యూయల్-సెల్ క్యాటలిస్ట్ డిజైన్‌ను ఆవిష్కరించింది. ఆగ. 6న Nature Nanotechnologyలో ప్రచురితమైన ఈ పని, వేగంగా పెరుగుతున్న శక్తి సవాలును దృష్టిలో పెట్టుకుంది: ఇప్పటికే ఒత్తిడిలో ఉన్న విద్యుత్ వ్యవస్థలపై మరింత భారాన్ని వేయకుండా, భారీగా విద్యుత్ అవసరమయ్యే డేటా సెంటర్లకు ఎలా సరఫరా చేయాలి అన్నది.

ఈ సమయం యాదృచ్ఛికం కాదు. అందించిన మూల పాఠ్యం ప్రకారం, Electric Power Research Institute అంచనాల ప్రకారం 2030 నాటికి డేటా సెంటర్లు అమెరికా వార్షిక విద్యుత్ ఉత్పత్తిలో 9% వరకు వాటా కలిగి ఉండవచ్చు, ఇది 2023లో ఉన్న మొత్తం విద్యుత్ డిమాండ్‌లో 4% నుంచి పెరుగుదల. ఈ విస్తరణకు కంప్యూటింగ్ వృద్ధి, అలాగే సాంద్రమైన డిజిటల్ మౌలిక వసతులను నడపడానికి అవసరమైన కూలింగ్ లోడ్లు కారణం. అందువల్ల, పరిశోధకులు మరియు ఆపరేటర్లు సైట్‌లోనే మరింత విద్యుత్ ఉత్పత్తి చేసి, గ్రిడ్‌పై ఉన్న భారాన్ని తగ్గించే మార్గాలను అన్వేషిస్తున్నారు.

ఫ్యూయల్ సెల్‌లు ఆసక్తిని పొందుతున్న సాంకేతికతలలో ఒకటి. అవి హైడ్రోజన్, ఆక్సిజన్‌లను కలిపి విద్యుత్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, ఉపఉత్పత్తులుగా నీరు, వేడి వస్తాయి. సిద్ధాంతపరంగా, హైడ్రోజన్ ఎలా ఉత్పత్తి చేయబడుతుందో బట్టి, సంప్రదాయ ఫాసిల్ ఉత్పత్తితో పోలిస్తే తక్కువ ఉద్గారాలతో నమ్మకమైన విద్యుత్ అవసరమయ్యే అనువర్తనాలకు ఇవి ఆకర్షణీయంగా ఉంటాయి. అయితే వాస్తవంలో, ఖర్చు మరియు దీర్ఘకాలికత ప్రధాన అడ్డంకులుగానే ఉన్నాయి, మరియు ఈ రెండింటి కేంద్రంలో క్యాటలిస్ట్ పనితీరు ఉంది.

ప్లాటినం ఇంకా ఎందుకు సమస్యగానే ఉంది

ఫ్యూయల్ సెల్‌లకు ప్లాటినం అత్యంత ప్రభావవంతమైన క్యాటలిస్ట్ పదార్థాలలో ఒకటి, కానీ అది ఖరీదైనది మరియు అరుదైనది. దీంతో, పనితీరును దెబ్బతీయకుండా అవసరమైన పరిమాణాన్ని తగ్గించే మార్గాలను పరిశోధకులు వెతుకుతున్నారు. కొత్త అధ్యయనం ఖచ్చితంగా ఆ సమతౌల్యాన్నే పరిష్కరిస్తుంది.

మూల పాఠ్యం ప్రకారం, బృందం నానోస్ట్రక్చర్డ్ కార్బన్ డిజైన్‌ను అభివృద్ధి చేసింది, దీని ద్వారా క్యాటలిస్ట్‌లు అతి చిన్న పరిమాణంలో ప్లాటినం ఉపయోగించినా ఆశ్చర్యకరమైన స్థిరత్వం, సామర్థ్యం నిలుపుకోవచ్చు. స్థిరత్వంపై ఉన్న ఈ దృష్టి కీలకం. ఫ్యూయల్-సెల్ వ్యవస్థలు ప్రయోగశాలలో ఒకసారి పనిచేస్తాయనే కారణంతో వాణిజ్యంగా విఫలమవవు. పునరావృత ఆపరేషన్, వేడి, రసాయన ఒత్తిడిలో పనితీరు చాలా వేగంగా దిగజారినప్పుడు అవి విఫలమవుతాయి.

తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఫ్యూయల్ సెల్‌లలో దీర్ఘకాలికత అత్యంత కఠినమైన అడ్డంకులలో ఒకటి. ప్రస్తుత క్యాటలిస్ట్‌లు ఎక్కువ కార్యకలాపాన్ని, దీర్ఘ ఆపరేటింగ్ జీవితాన్ని ఒకేసారి కలపడానికి ఇబ్బంది పడుతున్నాయి, దీని వల్ల వ్యవస్థలు ఖరీదైనవిగా ఉండి, ఎల్లప్పుడూ పనిచేసే కఠిన వాతావరణాల్లో వినియోగాన్ని పరిమితం చేస్తున్నాయి. విలువైన లోహపు లోడింగ్‌ను తగ్గిస్తూ పనితీరును ఎక్కువకాలం నిలుపుకునే క్యాటలిస్ట్, ఈ రంగంలోని రెండు అతిపెద్ద పరిమితులను ఒకేసారి పరిష్కరిస్తుంది.

ఈ పరిశోధనలో Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Northeastern University, మరియు University of Pittsburgh నుంచి సహకారులు పాల్గొన్నారు, ఇది శక్తి పదార్థాల పనిలో పెరుగుతున్న బహుశాఖ స్వభావాన్ని ప్రతిబింబిస్తుంది. క్యాటలిస్ట్ పురోగతులు అరుదుగా కేవలం రసాయన కథలే కావడం వల్ల ఇది ముఖ్యం. అవి నానోస్థాయి రూపకల్పన, అధునాతన లక్షణ నిర్ధారణ, ఎలెక్ట్రోకెమిస్ట్రీ, మరియు వాస్తవ పనితీరు పరీక్షలపై ఆధారపడి ఉంటాయి.

డేటా సెంటర్లు ముఖ్య అనువర్తనంగా ఎందుకు ఉన్నాయి

ఈ వ్యాసం ఈ పురోగతిని నేరుగా డేటా-సెంటర్ విద్యుత్‌తో అనుసంధానిస్తుంది. ఆ సంబంధం ప్రాయోగికమైనది. యుటిలిటీలు, డెవలపర్లు, మరియు విధాననిర్మాతలకు డేటా సెంటర్లు ఒక నిర్వచించే మౌలిక వసతి సవాలుగా మారుతున్నాయి, ఎందుకంటే వాటి డిమాండ్ పెరుగుదల పెద్దది, కేంద్రీకృతమైనది, మరియు ఆలస్యం చేయడం కష్టమైనది. సైట్‌లోనే ఉత్పత్తి, కేవలం స్థిరత్వం కోసం మాత్రమే కాదు, వేగం కోసం కూడా ఆకర్షణీయంగా మారింది. కొన్ని ప్రాంతాల్లో, పెద్ద కొత్త కంప్యూటింగ్ క్యాంపస్‌కు సరిపడ గ్రిడ్ సామర్థ్యాన్ని పొందడానికి సంవత్సరాలు పడవచ్చు.

ఫ్యూయల్ సెల్‌లు మరింత ఖర్చు-సమర్థవంతంగా, ఎక్కువకాలం నిలిచే విధంగా మారితే, ఆపరేటర్లు గ్రిడ్‌పై పూర్తిగా ఆధారపడకుండా తమ స్వంత విద్యుత్‌లో కొంత భాగాన్ని ఉత్పత్తి చేసే మార్గాన్ని అందించవచ్చు. మూల పాఠ్యంలో, ప్రధాన పరిశోధకుడు Gang Wu, ఫ్యూయల్ సెల్‌తో స్వంత విద్యుత్‌ను సరఫరా చేసే డేటా సెంటర్ హైడ్రోజన్ మరియు ఇతర ఇంధనాలను నేరుగా విద్యుత్‌గా మార్చి, గ్రిడ్ భారాన్ని తగ్గిస్తుందని చెబుతారు. ఇదే ఈ పదార్థ శాస్త్రానికి ఉన్న ప్రాక్టికల్ వ్యవస్థ-స్థాయి వాదన.

ఇంకా కొన్ని హెచ్చరికలు ఉన్నాయి. మెరుగైన క్యాటలిస్ట్‌లు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఫ్యూయల్ సెల్‌ల వినియోగాన్ని విస్తరించగలవనే అవకాశాన్ని ఈ అధ్యయనం మద్దతిస్తోంది; కానీ డేటా సెంటర్లు త్వరలోనే పెద్దఎత్తున మారనున్నాయని ఇది చూపదు. వాస్తవ అమలు హైడ్రోజన్ సరఫరా, మూలధన ఖర్చులు, వ్యవస్థ సమీకరణ, భద్రత, మరియు గ్యాస్ టర్బైన్లు, బ్యాటరీలు, గ్రిడ్ అప్‌గ్రేడ్‌లు వంటి పోటీ సాంకేతికతల ఆర్థిక వ్యవస్థపై ఆధారపడి ఉంటుంది. అయినప్పటికీ, క్యాటలిస్ట్ మెరుగుదల ఇప్పటికీ ముఖ్యం, ఎందుకంటే స్టాక్ పనితీరు, దీర్ఘాయువు మొత్తం వ్యవస్థ ఆర్థికతను ప్రభావితం చేస్తాయి.

డేటా సెంటర్లకు ఆవల

డేటా సెంటర్లు ఈ కథనంలో ప్రధానంగా కనిపించినా, దాని ప్రభావాలు అంతకంటే విస్తృతం. మూల పాఠ్యం వాహనాలు, ఇతర శక్తి-తీవ్ర సాంకేతికతల్లో కూడా వాడక అవకాశాలను స్పష్టంగా పేర్కొంటుంది. ఇది క్యాటలిస్ట్ ప్లాట్‌ఫారమ్ పురోగతులకు సాధారణం: ఒక పదార్థం బలమైన కార్యకలాపం, దీర్ఘకాలికతను చూపిన తర్వాత, ఒక మార్కెట్ అభివృద్ధికి తక్షణ కారణం అయినా కూడా అనేక అనువర్తనాలు లాభపడగలవు.

ఈ పని పెద్ద శక్తి మార్పు నమూనాను కూడా చూపుతుంది. కొత్త క్లీన్-ఎనర్జీ వ్యవస్థలలో అనేకం భావనాత్మక సాధ్యత లోపం వల్ల ఆగిపోవడం లేదు. అవి మరీ ఖరీదైనవి, తక్కువకాలికమైనవి, లేదా విస్తరించడానికి కష్టం చేసే పదార్థ పరిమితుల వల్ల ఆగిపోతున్నాయి. అందువల్ల, క్యాటలిస్ట్ నిర్మాణంలో చిన్న మెరుగుదలలు కూడా విలువైన లోహాలపై ఆధారాన్ని తగ్గించి, ఉపయోగకర జీవనాన్ని పెంచితే గొప్ప ప్రభావాన్ని చూపగలవు.

హైడ్రోజన్ ఫ్యూయల్ సెల్‌లకు ఇది ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే ఈ సాంకేతికత సంవత్సరాలుగా ఆశ, వాస్తవికతల మధ్య ఇరుక్కుంది. అనుకూలులు శుభ్రమైన ఎలెక్ట్రోకెమికల్ మార్పిడి, వేగవంతమైన స్పందనను సూచిస్తారు. విమర్శకులు ఖర్చులు, మౌలిక వసతి లోపాలు, మరియు దీర్ఘకాలికత సవాళ్లను చూపిస్తారు. ఇలాంటి పురోగతులు ఆ వాదనను ముగించవు, కానీ ఇంజనీరింగ్ బేస్‌లైన్‌ను ముందుకు నెడతాయి.

ఇక్కడ నివేదించిన నానోస్ట్రక్చర్డ్ కార్బన్ డిజైన్‌ను, పూర్తయిన వాణిజ్య ఉత్పత్తిగా కాకుండా, సదుపాయం కలిగించే ఫలితంగా చూడాలి. ఇది తక్కువ ప్లాటినం అవసరమయ్యే, ఆపరేషన్‌లో మరింత స్థిరమైన క్యాటలిస్ట్‌లకు దారి చూపుతుంది, మరియు విస్తృత స్వీకరణకు అవసరమైన సరిగ్గా ఇదే కలయిక. తదుపరి పనులు స్కేల్‌లో పనితీరును నిర్ధారిస్తే, ప్రభావం బ్యాకప్ మరియు పంపిణీ ఉత్పత్తి నుండి రవాణా, పారిశ్రామిక విద్యుత్ వ్యవస్థల వరకు విస్తరించవచ్చు.

ఈ అధ్యయనాన్ని ముఖ్యంగా గమనార్హంగా 만드는ది, ఇది వాస్తవ, సమీపకాల డిమాండ్ పెరుగుదలతో సరిపోవడమే. డేటా-సెంటర్ విద్యుత్ వినియోగం ఇక ఊహాత్మక భవిష్య సమస్య కాదు. అది గ్రిడ్ ప్రణాళిక మరియు మౌలిక వసతి పెట్టుబడిలో ఇప్పటికే ఉన్న పరిమితి. ఇది ఫ్యూయల్-సెల్ పరిశోధనకు గతంలో కంటే స్పష్టమైన లక్ష్యాన్ని ఇస్తుంది.

ప్రస్తుతం, శక్తి మౌలిక వసతి సమస్యలు తరచుగా ఒక్కో పదార్థ పొరను మెరుగుపరుస్తూ పరిష్కరించబడుతున్నాయని ఈ ఫలితం గుర్తు చేస్తుంది. కనిష్ఠ ప్లాటినం వినియోగం, దీర్ఘకాలిక స్థిరత్వం చుట్టూ క్యాటలిస్ట్ సపోర్ట్ నిర్మాణాన్ని తిరిగి రూపకల్పన చేయడం ద్వారా, వాషింగ్టన్ యూనివర్సిటీ నేతృత్వంలోని బృందం పజిల్‌లో ఒక ముఖ్యమైన భాగాన్ని అందించింది. ఇది వాణిజ్య మలుపుగా మారుతుందా అన్నది తదుపరి స్కేల్-అప్, వ్యవస్థ సమీకరణ, మరియు హైడ్రోజన్ ఆర్థికతలో ఏమి జరుగుతుందనేదానిపై ఆధారపడి ఉంటుంది, కానీ దిశ స్పష్టంగా ఉంది.

ఈ వ్యాసం Science Daily నివేదిక ఆధారంగా ఉంది. మూల వ్యాసాన్ని చదవండి.