तापविद्युत उपकरणांच्या नव्या संरचनेमुळे शक्ती व कार्यक्षमता, दोन्ही वाढवता येतील

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे वापरताना उद्भवणारी एक लक्षणीय समस्या म्हणजे त्यांतून उत्पन्न होणारी उष्णता. ह्यामुळे विद्युत ऊर्जा तर वाया जातेच, पण खूप गरम झाल्याने उपकरणाचेही नुकसान होऊ शकते. उष्णतेचे विद्युत ऊर्जेत व विद्युत ऊर्जेचे उष्णतेत रूपांतर करणारे तापविद्युत साहित्य वापरून इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांतून उत्पन्न झालेल्या उष्णतेचे रूपांतर परत विद्युत ऊर्जेत करता येईल. यामुळे ऊर्जेचा अपव्यय टळेल आणि उपकरणेही अति तापणार नाहीत. 

अलिकडील एका अभ्यासात भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील प्राध्यापक भास्करन मुरलीधरन व श्री स्वर्णदीप मुखर्जी यांनी उष्णतेचे रूपांतर विद्युत ऊर्जेत अधिक कार्यक्षमपणे करणारी जनित्रे संरचित करण्यासाठी मार्गदर्शक सूचना प्रस्तावित केल्या आहेत. प्रस्तावित नवीन रचनेमुळे इतर सम तंत्रज्ञानांच्या तुलनेत ह्या जनित्रांची निष्पन्न शक्ती दुप्पट, तर कार्यक्षमता १०% वाढू शकते. फिजिकल रिव्ह्यू ऍप्पलाईड या कालिकात प्रसिद्ध झालेल्या ह्या अभ्यासाला भारतीय अंतराळ संशोधन संघटनेकडून (आयएसआरओ) वित्तसहाय्य लाभले होते.

तापविद्युत उपकरणांची उष्णतेचे रूपांतर विद्युत ऊर्जेमध्ये करण्याची कार्यक्षमता मोजायला ‘फिगर ऑफ मेरिट’ हे परिमाण वापरतात. उपकरण उपलब्ध उष्णतेचा जेवढ्या जास्त भागाचे रूपांतर विद्युत ऊर्जेत करू शकते, तेवढी त्याची कार्यक्षमता जेवढी जास्त.

“एक उत्तम तापविद्युत जनित्र उच्च निष्पन्न शक्ती असताना उच्च कार्यक्षमता देते. पण कार्यक्षमता व निष्पन्न शक्ती दोन्ही एकाच वेळी किती वाढवता येऊ शकेल याची मर्यादा असते. एक प्राचल वाढवायचा प्रयत्न केला तर दुसरे कमी होते,” प्रा. मुरलीधरन स्पष्ट करतात.  

पुर्वी केलेल्या अभ्यासांतून दिसले आहे की नॅनोसामग्री वापरल्यास महत्तम फिगर ऑफ मेरिट साध्य करायला मदत होते. पण ह्या एवढ्याशा उपकरणांमधून उच्च निष्पन्न शक्ती मिळवणे आव्हानात्मक असते, शिवाय कार्यक्षमता किंवा निष्पन्न शक्ती यांपैकी एक वाढवायचा प्रयत्न केल्यास दुसरे कमी होते.

कार्यक्षमता आणि निष्पन्न शक्ती यांच्यातील समायोजन अधिक चांगल्या रितीने समजून घेऊन त्याचे इष्टतमीकरण करणे हे सदर अभ्यासाचे उद्दिष्ट होते. प्रस्तावित संरचनेत अल्युमिनियम, गॅलियम व आर्सेनिक सारख्या धातूंच्या संयुगांपासून तयार केलेल्या अर्धवाहक नॅनोसामग्रीचा उपयोग केला आहे. आधीच्या संरचनांपेक्षा सुधारित अशी ही संरचना, प्रकाशिकी मधील फॅब्री-पेरो गुहिका नावाच्या एका रचनेवरून प्रेरित आहे. फॅब्री-पेरो गुहिकेत समोरासमोर दोन परावर्ती आरसे असतात. ही गुहिका प्रकाशीय निस्यंदक (ऑप्टिकल फिल्टर) म्हणून काम करते व एका विशिष्ट वारंवारितेच्या प्रकाशीय तरंगांना, त्यांची तीव्रता विशेष कमी न करता गुहिका पार करून जाऊ देते.

पुर्वीच्या अभ्यासांमध्ये हे दाखवले आहे की तापविद्युत सामग्री जर विशिष्ट ऊर्जा असलेले इलेक्ट्रॉन त्यांच्यामधून आरपार जाऊ देत असेल आणि इतर इलेक्ट्रॉन अडवत असेल, तर दिलेल्या निष्पन्न शक्ती साठी महत्तम कार्यक्षमता साध्य होऊ शकते. हा गुणधर्म रेसोनंट टनेलिंग उपकरणे (संस्पंदी सुरंगण उपकरण) ह्या नॅनोसंरचनांंध्ये दिसतो. ह्या संरचना तापविद्युत अनुप्रयोगांमध्ये वापरल्या जातात.

दिलेल्या निष्पन्न शक्ती साठी, पारंपारिक संस्पंदी सुरंगण उपकरणांपेक्षा उच्च कार्यक्षमता देऊ शकणाऱ्या उपकरणांची रचना करण्यासाठी संस्पंदी सुरंगण उपकरणे वापरण्याचे सदर अभ्यासाचे उद्दिष्ट आहे. हे साध्य करण्यासाठी संशोधकांनी फॅब्री पेरो गुहिकेप्रमाणे रचना असलेली तापविद्युत उपकरणे तयार करावीत असे प्रस्तावित केले आहे.

“आम्ही प्रस्तावित केलेल्या उपकरणांमध्ये सामग्रीच्या दोन थरांमध्ये संस्पंदी सुरंगण संरचना आहे जी इलेक्ट्रॉन करता अडथळा म्हणून काम करते. प्रकाशिकी फॅब्री-पेरो रचनेमधील आरशांप्रमाणे हा अडथळा काम करतो. जे तत्त्व फॅब्री पेरो गुहिके मध्ये वापरले आहे, त्याच तत्त्वावर हे उपकरण आधारित आहे. केवळ उर्जेचे एक विशिष्ट मूल्य असलेले इलेक्ट्रॉनच यातील गुहिका ओलांडून जाऊ शकतात,” असे श्री. मुखर्जी सांगतात.

सदर अभ्यासात दिसून येते की अडथळ्यांची उंची आरशांच्या अपवर्तनांकाप्रमाणे असते. ह्या अभ्यासातून पुढे आलेली माहिती शास्त्रज्ञांना गुहिका संरचनेचे विशिष्ट नियम प्रस्तावित करण्यासाठी उपयोगी ठरेल. शास्रज्ञांनी प्रस्तावित सूचनांच्या आधारे, नमुना म्हणून, दोन संरचना तयार केल्या व त्या कश्या काम करतात त्याचे सविस्तरपणे संगणन केले.  

“काही अर्धवाहक-आधारित उपकरणांना आमचे संरचनेचे नियम लावून आम्ही उच्च कार्यक्षमता राखत निष्पन्न शक्तीत मोठी वाढ साध्य केली,” असे श्री मुखर्जी सांगतात. संगणकीय सिम्यूलेशन वापरून संशोधकांनी सिद्ध केले की त्यांची संरचना इतर सम संरचनांच्या तुलनेत अधिक चांगली आहे. कुठल्या स्थितींमध्ये संशोधकांची रचना अधिक चांगले परिणाम देईल तेही त्यांनी नमूद केले.  

“आम्हाला असे वाटते की उपलब्ध तंत्रज्ञान वापरून साध्या रचना असलेली सॉलिड-स्टेट उपकरणे तयार करण्यासाठी आमचा अभ्यास नवी वाट उपलब्ध करून देईल,” ह्या अभ्यासाचा भविष्यातील प्रभावाबद्दल बोलताना प्रा. मुरलीधरन म्हणतात.