इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांतून बाहेर पडणारी उष्णता वापरून वीज निर्माण होऊ शकते, असे नुकत्याच झालेल्या अभ्यासात आढळून आले

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये निर्माण होणारी उष्णता ही इलेक्ट्रॉनिक अभियांत्रिकीमधील मोठी समस्या आहे. गरम झाल्यामुळे उपकरणांचे आयुष्य कमी होतेच शिवाय उष्णतेच्या स्वरूपात ऊर्जा वायाही जाते. भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई येथे संशोधकांनी केलेल्या अभ्यासात मोबाइल फोन आणि संगणक यासारख्या इलेक्ट्रॉनिक साधनांमध्ये निर्माण होणारी उष्णता वीज निर्माण करण्यासाठी वापरता येईल असे ते म्हणतात. “नेचर साइंटिफिक रिपोर्ट्स” या वेज्ञानिक मासिकात प्रकाशित झालेल्या या अभ्यासात इलेक्ट्रॉनच्या विखुरले जाण्याच्या गुणधर्माचा (स्कॅटरिंग) उपयोग औष्णिक ऊर्जेचा पुनर्वापर करण्यासाठी कसा करता येईल याचे विश्लेषण केले आहे.

शक्तिशाली संगणकातील चिप्स इतक्या गरम होतात की त्यातून निर्माण होणारी उष्णता त्यांच्याच साठी मारक ठरू शकते. आयआयटी मुंबई च्या विद्युत अभियांत्रिकी विभागातील संशोधक आणि या अहवालाच्या लेखकांपैकी एक, श्री. अनिकेत सिंघा म्हणतात, “सध्याच्या, आणि यापुढे निर्माण होणाऱ्या संगणकीय चिप्समध्ये इतकी उष्णता निर्माण होते की त्या उष्णतेने चिप जळून जाऊ शकते. भविष्यातल्या संगणकीय चिप्स मध्ये तर निर्माण झालेल्या उष्णतेची घनता एखाद्या अणूभट्टीच्या ऊर्जाघनतेएवढी असू शकते.”

अतिरिक्त उष्णतेचा निचरा होऊन ही उष्णता ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी कशी वापरता यईल हे शोधाण्याचा या अभ्यासाचा उद्देश आहे. तापविद्युत परिणाम (थर्मोइलेक्ट्रिक इफेक्ट) हा गुणधर्म वापरून वीज निर्मिती करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांपासून निर्माण होणऱ्या उष्म्याचा वापर करता येइल असे संशोधक म्हणतात. संपर्कात असणाऱ्या दोन धातूंच्या तापमानात फरक असेल तर त्यामुळे विद्युतभार निर्माण होतो व विद्युत प्रवाह सुरू होऊ शकतो, यालाच तापविद्युत किंवा औष्णिक विद्युत परिणाम म्हणतात.

विद्युत प्रवाहामध्ये इलेक्ट्रॉन्सची भूमिका महत्वाची आहे. एका किमान उर्जेपेक्षा जास्त उर्जा धारण करणारे इलेक्ट्रॉन्सच  विद्युत वहनास उपयुक्त ठरतात. औष्णिक विद्युत परिणामामुळे, साधारणत: गरम अग्रामध्ये असलेले इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा धारण करतात आणि थंड अग्राकडे प्रवाहित होतात. पण काही इलेक्ट्रॉन विरुद्ध दिशेने प्रवाहित झाले तर? निश्चितच विद्युत प्रवाहावर परिणाम होणार!

पण पुर्वी केलेल्या संशोधनात असे सिद्ध झाले आहे की इलेक्ट्रॉनचा विरुद्ध दिशेचा प्रवाह आपण कमी करू शकतो. उष्ण आणि थंड अग्रांमध्ये ऊर्जा-गाळणी-रोधक (एनर्जी फिल्टरिंग बॅरियर) वापरल्यास कमी तापमानाकडून जास्त तापमानाकडे जाणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्सच्या प्रवाहावर नियंत्रण ठेवणे शक्य आहे. केवळ एका ठराविक पातळीपेक्षा जास्त ऊर्जा असलेले इलेक्ट्रॉन्सच या गाळणीमधून जाऊ दिले जातात. यामुळे इलेक्ट्रॉन्स एकाच दिशेने (उष्ण अग्राकडून थंड अग्राकडे) प्रवाहित होतील हे आपण पाहू शकतो. मात्र हा रोध जास्त झाल्यास इलेक्ट्रॉन्स विखुरले जाण्याचा धोका आहे.  त्यामुळे प्रवाह नियंत्रित करणारी ही गाळणी योग्य क्षमतेची हवी.

आपण रोध निर्माण केला, तर संवहनावर परिणाम नाही होणार का? “नक्कीच होईल! पण अर्धसंवाहक वापरला तर त्यातल्या अशुद्धींचे प्रमाण बदलून आपण त्याचे संवहन नियंत्रित करू शकतो, त्याचे संवहन धातू इतकेच वाढवू शकतो.” अनिकेत सिंघा या शंकेचे निरसन करताना म्हणतात. ऊर्जा गाळणी तयार करून गाळण्याची प्रक्रिया अधिक कार्यक्षम करावी व त्यामुळे वाढणारा विद्युत रोध भरून काढण्यासाठी अर्धसंवाहकात अशुद्धी वाढवाव्यात असा प्रस्ताव अभ्यासाअंती मांडला आहे.

“गणितीय साधने आणि क्वांटम मेकॅनिक्सच्या सहाय्याने आम्ही इलेक्ट्रॉन्सच्या विकीरणाच्या विविध पद्धतींचा औष्णिक उर्जेवर होणाऱ्या सूक्ष्म परिणामांची भूमिका शोधून काढली आहे. त्यामुळे आता आम्हाला खात्री आहे की ऊर्जा गाळणीचा वापर विद्युतनिर्मतीची कार्यक्षमता वाढवायला आपण करू शकतो”  श्री. सिंघा म्हणतात.

वाया जाणारी उष्णता ऊर्जानिर्मीतीसाठी वापरण्याची  शक्यता काही प्रयोगांमध्ये दिसून आली असली तरीहि या घटनेच्या सैद्धांतिक व गणिती समजुतीत अजून त्रुटी आहेत. यामुळे प्रायोगिक शास्त्रज्ञांना ऊर्जा निर्मिती अजून कार्यक्षम करणे कठीण जाते आहे. डॉ. सिंघा म्हणाले, "या संशोधनाचा सर्वात अप्रतिम भाग म्हणजे हे सिद्धांत कुठल्या विशिष्ट पदार्थाच्या एखाद्या गुणधर्मावर अवलंबून नाहीत तर सर्व अर्धसंवाहकांसाठी वैध आहेत".

संशोधकांना आशा आहे की एखाद्या पदार्थामध्ये निर्माण झालेला ऊष्मा ऊर्जानिर्मितीसाठी योग्य प्रकारे कशी वापरता येइल हे समजण्यासाठी पदार्थवैज्ञानिकांना या अभ्यासामुळे बरीच मदत होईल. बहुतेक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे अर्धसंवाहकांवर आधारित असल्याने, या अभ्यासात अर्धसंवाहकांचे तीन मूलभूत गुणधर्म, घनता, इलेक्ट्रॉन्स वहनाचा वेग आणि सामान्य ऊर्जा स्थितीत परत येण्यासाठी इलेक्ट्रॉन्सना लागणारा  वेळ हे विचारात घेतले आहेत.

“या अभ्यासातून असे सिद्ध होते की कुठल्याही पदार्थाचे हे तीन गुणधर्म माहीत असल्यास किती क्षमतेची ऊर्जा गाळणी तयार करावी लागेल हे काढणे शक्य आहे”, अशी ग्वाही डॉ. सिंघा यांनी दिली.