கடல் அலை ஆற்றலை மின்சாரமாக மாற்றுவதில் 117% செயல்திறனை எட்டிய சிறிய மின்னாக்கிகள்: நீல ஆற்றல் சேகரிப்பில் புரட்சி

கடல் அலைகள்: புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றலின் அடுத்த எல்லை

கார்பன் வெளியேற்றத்தைக் குறைத்து, நிலையான ஆற்றல் மூலங்களைப் பாதுகாப்பதற்காக உலகம் வேகமாகச் செயல்பட்டு வரும் நிலையில், கடல்களின் பரந்த, பயன்படுத்தப்படாத ஆற்றல் புத்தாக்கத்தின் முக்கிய மையமாகியுள்ளது. சீன விஞ்ஞானிகளின் அண்மைய முன்னேற்றங்கள், கடல் அலை ஆற்றல் சேகரிப்பை கவனத்தின் மையத்துக்குக் கொண்டுவந்துள்ளன. அடுத்த தலைமுறை உராய்வு மின்னேற்ற நானோமின்னாக்கிகள் (TENGs), உண்மையான கடல் சூழல்களில் குறிப்பிடத்தக்க 117% ஆற்றல் மாற்றுத் திறனை எட்டியுள்ளன. இந்தப் பாய்ச்சல், கடல்சார் ஆற்றல் வலைப்பின்னல்களையும் கடலில் உள்ள பொருட்களின் இணையத்தையும் (IoT) புரட்சிகரமாக மாற்றும் என எதிர்பார்க்கப்படுவதோடு, பரவலாக்கப்பட்ட, தாமாகவே மின்சாரம் பெறும் கடல் கண்காணிப்புக்கும், கடல்நீரிலிருந்து ஹைட்ரஜன் உற்பத்திக்கும் ஒரு புதிய சகாப்தத்தைச் சுட்டிக்காட்டுகிறது.

ஆனால், உராய்வு மின்னேற்ற நானோமின்னாக்கிகள் என்றால் என்ன? குழப்பமான, குறைந்த அதிர்வெண் கொண்ட கடல் அலைகளின் இயக்கத்தை ஆய்வாளர்கள் எவ்வாறு இவ்வளவு திறம்படப் பயன்படுத்தியுள்ளனர்? இந்தக் கட்டுரை, இந்த நீல ஆற்றல் புரட்சியின் அறிவியல், தொழில்நுட்பம், மாற்றத்தை ஏற்படுத்தக்கூடிய தாக்கங்கள் ஆகியவற்றை ஆராய்கிறது.

உராய்வு மின்னேற்ற நானோமின்னாக்கிகள் (TENGs) என்றால் என்ன?

உராய்வு மின்னேற்ற நானோமின்னாக்கிகள் என்பவை, கடல் அலைகளின் ஏற்ற இறக்கம் போன்ற இயந்திர இயக்கத்தை உராய்வு மின்னேற்ற விளைவைப் பயன்படுத்தி மின் ஆற்றலாக மாற்றும் சாதனங்கள். சில பொருள்கள் ஒன்றோடொன்று தொடர்புகொண்டு பின்னர் பிரியும்போது மின்சார ஏற்றம் பெறுகின்றன; இதுவே இந்த விளைவு. TENGகள் இந்தக் கொள்கையுடன் மின்னியல் தூண்டலையும் இணைத்து, மிகவும் ஒழுங்கற்ற, குறைந்த அதிர்வெண் இயக்கங்களிலிருந்தும் மின்சாரத்தை உருவாக்குகின்றன. இதனால், அலை இயக்கம் கணிக்க முடியாததாகவும் பல திசைகளில் நிகழ்வதாகவும் இருக்கும் கடல் சூழல்களுக்கு இவை மிகவும் ஏற்றவையாகின்றன.

எடை மிகுந்தவை, அதிகச் செலவுடையவை, குறைந்த அதிர்வெண்களில் திறனற்றவை ஆகிய பாரம்பரிய மின்காந்த மின்னாக்கிகளைப் போலல்லாமல், TENGகள் எடை குறைந்தவை, செலவு குறைந்தவை. கடல் அலைகளின் மெதுவான, சீரற்ற இயக்கங்களைப் பயன்படுத்தக்கூடிய மின்சாரமாக மாற்றுவதில் இவை சிறந்து விளங்குகின்றன. இவற்றின் தொகுதிசார் வடிவமைப்பும் விரிவாக்கும் திறனும், பரவலாக்கப்பட்ட உணர்வி வலைப்பின்னல்களுக்கும் கடல்சார் IoT சாதனங்களுக்கும் மின்சாரம் வழங்குவதற்கு மிகவும் ஏற்றவையாக ஆக்குகின்றன.

TENG வடிவமைப்பில் முன்னேற்றங்கள்: ஓரிகாமி மடிப்புகள் முதல் கோள வடிவங்கள் வரை

பெய்ஜிங் நானோஆற்றல் மற்றும் நானோஅமைப்புகள் நிறுவனம், குவாங்சி பல்கலைக்கழகம் ஆகியவற்றின் ஆய்வாளர்கள், ஆற்றல் சேகரிப்பை அதிகப்படுத்தவும் கடல் சூழலின் கடுமையான நிலைமைகளுக்கு ஏற்றவாறு செயல்படவும் வடிவமைக்கப்பட்ட ஆறு புதுமையான TENG கட்டமைப்புகளை முன்னெடுத்துள்ளனர். Nano-Micro Letters இதழில் வெளியிடப்பட்ட இந்த வடிவமைப்புகளில் பல அடுக்கு அடுக்குகள், ஓரிகாமி மடிப்புகள், காந்த மிதவைச் சட்டங்கள், கோள அல்லது பன்னிருமுகக் கட்டமைப்புகள் ஆகியவை அடங்கும். இடத்தை அதிகபட்சமாகப் பயன்படுத்துதல், நீடித்துழைப்பை மேம்படுத்துதல், சாத்தியமான அனைத்து அலைத் திசைகளிலிருந்தும் ஆற்றலைச் சேகரித்தல் போன்ற குறிப்பிட்ட சவால்களை ஒவ்வொரு அணுகுமுறையும் கையாள்கிறது.

எடுத்துக்காட்டாக, ஓரிகாமி மடிப்பு வரிசைகள் மின்னேற்றப் பரிமாற்றத்துக்கான பரப்பளவை அதிகரிக்கின்றன; காந்த மிதவை மையங்கள் உராய்வையும் தேய்மானத்தையும் குறைத்து, சாதனங்களின் ஆயுளை நீட்டிக்கின்றன. கோள மற்றும் டென்ஸெக்ரிட்டி கட்டமைப்புகள் எல்லாத் திசைகளிலிருந்தும் ஆற்றலைச் சேகரிக்க உதவுவதால், வழக்கமான வடிவமைப்புகளில் உள்ள "கண்காணிப்புக்கு எட்டாத பகுதிகள்" நீங்குகின்றன. இந்த முன்னேற்றங்களால், கனஅளவுக்கான மின் ஆற்றல் அடர்த்தி 600 W/m³-ஐத் தாண்டியுள்ளது. இது முந்தைய முன்மாதிரிகளைவிட மிக அதிகம்; கடல்சார் ஆற்றல் சாதனங்களுக்கான புதிய அளவுகோல்களையும் அமைக்கிறது.

கலப்பின அமைப்புகள்: அதிகபட்ச செயல்திறனுக்காகத் தொழில்நுட்பங்களை இணைத்தல்

மிக முக்கியமான புத்தாக்கங்களில் ஒன்று, மின்காந்த மின்னாக்கிகள் (EMGs), அழுத்த மின்னாக்கிகள் (PENGs), சூரிய மின்கலங்கள் உள்ளிட்ட பிற ஆற்றல் சேகரிப்புத் தொழில்நுட்பங்களுடன் TENGகளை ஒருங்கிணைப்பதாகும். இந்தக் கலப்பின அமைப்புகள் ஒவ்வொரு தொழில்நுட்பத்தின் பலத்தையும் பயன்படுத்தி, அலை அதிர்வெண்கள் மற்றும் சுற்றுச்சூழல் நிலைமைகளின் பரந்த வரம்பிலிருந்து ஆற்றலைச் சேகரிக்கின்றன. அதிர்வெண்-நிரப்பு இணைப்புகள், பல்வேறு வழிமுறைகளை ஒருங்கிணைப்பதன் மூலம் ஒரே அலை உள்ளீட்டிலிருந்து கூடுதல் ஆற்றலைச் சேகரிக்கும் திறனைப் பிரதிபலிக்கும் 117% ஆற்றல் மாற்றுத் திறனை இந்தச் சாதனங்கள் அடைய உதவுகின்றன.

எடுத்துக்காட்டாக, ஒழுங்கற்ற ஊசல் அடிப்படையிலான ஒரு கலப்பின அமைப்பு, மிதவையை உள் மின்னாக்கியிலிருந்து தனித்துச் செயல்படச் செய்து, ஒழுங்கற்ற அலை ஆற்றலை நிலையான சுழற்சி இயக்கமாக மாற்றுகிறது. இது செயல்திறனை அதிகரிப்பதோடு, கடல்சார் உணர்விகள் மற்றும் வழிகாட்டி விளக்குகள் நம்பகமாகவும் தாமாகவே மின்சாரம் பெற்றும் இயங்க உதவுகிறது. திறந்த கடலில் நடத்தப்பட்ட சோதனைகள் இதை நிரூபித்துள்ளன.

நிஜ உலகப் பயன்பாடுகள்: கடல்சார் IoT முதல் ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி வரை

இந்த முன்னேற்றங்களின் தாக்கம் கல்வியியல் ஆர்வத்தைத் தாண்டி விரிகிறது. TENGகள் பொருத்தப்பட்ட, தாமாகவே மின்சாரம் பெறும் கடல் மிதவைகள், செயற்கைக்கோள் தகவல்தொடர்புகளுக்கு ஆதரவளிக்கவும், வணிக உணர்விகளுக்கு மின்சாரம் வழங்கவும், ஆர்க்டிக் பெருங்கடல் போன்ற தொலைதூர, கடுமையான சூழல்களில் நீண்டகாலச் சுற்றுச்சூழல் கண்காணிப்பைச் செய்யவும் ஏற்கெனவே பயன்படுகின்றன. ஒரு கடல் சோதனையில், இருபுறமும் செயல்படும் உருளை வடிவ TENG மிதவை, சவாலான அலை மற்றும் வெப்பநிலை நிலைமைகளிலும் நாள்தோறும் 500 பைட்டுகளுக்கும் அதிகமான தரவை அனுப்பப் போதுமான மின்சாரத்தை உருவாக்கியது.

பெரிய அளவில் TENG வரிசைகளை நிறுவுவதன் மூலம், தன்னிறைவுடன் இயங்கும் கடல் ஆற்றல் வலைப்பின்னல்களின் அடித்தளத்தை உருவாக்கலாம். இவை பின்வரும் பயன்பாடுகளுக்கான பரவலாக்கப்பட்ட கடல்சார் IoT வலைப்பின்னல்களுக்கு ஆதரவளிக்கும்:

• நிகழ்நேர நீர்த் தரம் மற்றும் சுற்றுச்சூழல் கண்காணிப்பு
• வழிகாட்டி மற்றும் பாதுகாப்பு கலங்கரை விளக்குகள்
• தன்னாட்சி நீருக்கடிப் பொறிகள் மற்றும் உணர்வித் தளங்கள்
• கடல்நீரை மின்னாற்பகுப்பு செய்வதன் மூலம் ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி

நம்பகமான, புதுப்பிக்கத்தக்க மின்சார மூலத்தை வழங்குவதன் மூலம், தொலைதூரக் கடல் நிறுவல்களில் மின்கலங்களை மாற்ற வேண்டிய அல்லது பராமரிக்க வேண்டிய அவசியத்தை TENGகள் நீக்கலாம். இதனால் செயல்பாட்டுச் செலவுகளும் சுற்றுச்சூழல் பாதிப்பும் வெகுவாகக் குறையும்.

பொறியியல் புத்தாக்கங்கள்: கடலின் கணிக்க முடியாத இயக்கத்துக்கு ஏற்றவாறு மாற்றியமைத்தல்

கடல் ஆற்றலைச் சேகரிப்பதில் உள்ள மிகப் பெரிய சவால்களில் ஒன்று, அலை இயக்கம் கணிக்க முடியாததாகவும் பல திசைகளில் நிகழ்வதாகவும் குறைந்த அதிர்வெண் கொண்டதாகவும் இருப்பதுதான். இதைச் சமாளிக்க, பொறியாளர்கள் பல்வேறு தகவமைத்துக்கொள்ளும், தாமாகவே திசைதிருத்திக்கொள்ளும் TENG கட்டமைப்புகளை உருவாக்கியுள்ளனர். எடுத்துக்காட்டாக, வண்ணத்துப்பூச்சி அடுக்கமைப்பிலான TENGகள், வரும் அலைகளை நோக்கித் தாமாகச் சுழலும் சூரியகாந்தி மலரால் உந்தப்பட்ட தளங்களைப் பயன்படுத்தி, வெளிப்புற மின்சாரம் இல்லாமல் ஆற்றல் சேகரிப்பை அதிகப்படுத்துகின்றன. நெம்புகோல் வழிமுறைகள், குறைந்த வீச்சும் அதிகத் திருப்புவிசையும் கொண்ட அலை ஆற்றலை அதிக வீச்சும் குறைந்த திருப்புவிசையும் கொண்ட இயக்கமாக மாற்றி, மின்னேற்ற வெளியீட்டை குறிப்பிடத்தக்க அளவில் அதிகரிக்கின்றன.

கைரோஸ்கோப் கட்டமைப்பிலான TENGகளும் உருளும் முறை வடிவமைப்புகளும், உள் மற்றும் வெளிப்புற மின்னாக்க அலகுகள் தனித்தனியாகச் செயல்பட அனுமதிப்பதன் மூலம் பல்திசை ஆற்றல் சேகரிப்பை மேலும் மேம்படுத்துகின்றன. இந்த அமைப்புகள் ஆய்வகத்திலும் உண்மையான கடல் சூழல்களிலும் சரிபார்க்கப்பட்டுள்ளன. இவை வணிக மின்னணுச் சாதனங்களுக்கு மின்சாரம் வழங்கியதுடன், குறிப்பிடத்தக்க நீடித்துழைப்பையும் காட்டியுள்ளன. சிலவற்றில், 30 நாட்கள் நீரில் மூழ்கியிருந்த பிறகும் வெளியீட்டுக் குறைவு 8%-க்கும் குறைவாக இருந்தது.

விரிவாக்கத்துக்கான வலைப்பின்னல் மற்றும் தொகுதிசார் வடிவமைப்பு

ஆற்றல் சேகரிப்பை விரிவுபடுத்த, TENG அலகுகள் பெரும்பாலும் ஒரு பரிமாணச் சங்கிலிகள் அல்லது இரு பரிமாணத் தளக் கட்டமைப்புகளைப் பயன்படுத்தி வரிசைகளாக இணைக்கப்படுகின்றன. கோள் பற்சக்கர வழிமுறைகளைப் பயன்படுத்தும் தொகுதிசார் வடிவமைப்புகள், அதிர்வெண் உயர்மாற்றத்தைச் சாத்தியமாக்குகின்றன. அதாவது, மெதுவான அலை இயக்கத்தை அதிவேக மின்னாக்கிச் சுழற்சியாக மாற்றுகின்றன. இது மின் வெளியீட்டை அதிகரிப்பதோடு, தனித்தனி அலகுகளை எளிதில் பொருத்தவும் பராமரிக்கவும் மாற்றவும் உதவுகிறது.

திருத்தி பாலங்கள் மற்றும் மின்னேற்றத் தூண்டல் முறைகள் உள்ளிட்ட மேம்பட்ட சுற்று இணைப்புகள், மின் வெளியீட்டை உகந்ததாக்கி, பெரிய வரிசைகளில் ஏற்படும் இழப்புகளைக் குறைக்கின்றன. நீரியக்கவியல் மாதிரியாக்கமும் நிஜ உலகச் சோதனைகளும், இந்த வலைப்பின்னல்கள் கடல் சூழலின் கடுமையான நிலைமைகளைத் தாங்கியபடியே உயர் செயல்திறனையும் நம்பகத்தன்மையையும் பராமரிக்குமா என்பதை உறுதிப்படுத்துகின்றன.

சவால்களும் வணிகமயமாக்கலுக்கான பாதையும்

இந்தக் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றங்கள் இருந்தபோதிலும், TENG தொழில்நுட்பம் பரவலாக வணிகப் பயன்பாட்டுக்கு வருவதற்கு முன் பல சவால்கள் உள்ளன. முக்கிய பிரச்சினைகள்:

• சோதனை முறைகளையும் செயல்திறன் அளவீடுகளையும் தரப்படுத்துதல்
• நீண்டகால நீடித்துழைப்பையும் கடல்சார் அரிப்பை எதிர்க்கும் திறனையும் உறுதிசெய்தல்
• திறமையான ஆற்றல் மேலாண்மை மற்றும் மின்வலை ஒருங்கிணைப்பு
• செலவு குறைந்த உற்பத்தி மற்றும் பெரிய அளவிலான நிறுவல்

Nanowerk-இல் அண்மையில் வெளியான மதிப்பாய்வு சுட்டிக்காட்டியபடி, சோதனை நிலைமைகளில் உள்ள முரண்பாடுகளும் தரப்படுத்தப்பட்ட மதிப்பீட்டு முறைகள் இல்லாமையும் பல்வேறு ஆய்வுகளில் செயல்திறன் குறித்த பெரிதும் மாறுபட்ட கூற்றுகளுக்கு வழிவகுத்துள்ளன. உருவாக்க விவரங்கள், இயந்திர அமைப்பு, சுற்றுச்சூழல் நிலைமைகள் போன்ற காரணிகள் வெளியீட்டை வெகுவாகப் பாதிக்கக்கூடும். இதனால் முடிவுகளை ஒப்பிடுவதும் முன்னேற்றங்களைச் சரிபார்ப்பதும் கடினமாகிறது. நம்பகமான, மீண்டும் உருவாக்கக்கூடிய தரவை உறுதிசெய்து, ஆய்வக முன்மாதிரிகளிலிருந்து நிஜ உலகப் பயன்பாடுகளுக்கு மாற்றத்தை விரைவுபடுத்த, சர்வதேச தரநிலைகள் தேவை என்று அறிவியல் சமூகம் இப்போது வலியுறுத்துகிறது.

சுற்றுச்சூழல் பாதுகாப்பும் நிலைத்தன்மையும் எதிர்கால ஆய்வுகளின் முக்கிய முன்னுரிமைகளாக உள்ளன. TENG கட்டமைப்பில் மறுசுழற்சி செய்யப்பட்ட கடல் பிளாஸ்டிக்குகளைப் பயன்படுத்துதல், பராமரிப்பு தேவையற்ற செயல்பாட்டுக்கான திறன்மிகு பொருள்களை உருவாக்குதல், சாதனங்களின் ஆயுட்காலம் முடிந்தபின் அவற்றை நிர்வகிப்பதற்கான சுழற்சிப் பொருளாதார அணுகுமுறைகளை வடிவமைத்தல் ஆகிய முயற்சிகள் நடைபெற்று வருகின்றன.

பரந்த தாக்கங்கள்: டிஜிட்டல் கடலுக்கு மின்சாரம் வழங்குதல்

கடல் அலை ஆற்றலைத் திறம்பட மின்சாரமாக மாற்றும் திறன், கடல்சார் தொழில்நுட்பம், சுற்றுச்சூழல் கண்காணிப்பு, உலகளாவிய ஆற்றல் அமைப்புகள் ஆகியவற்றின் எதிர்காலத்தில் ஆழமான தாக்கங்களை ஏற்படுத்துகிறது. தாமாகவே மின்சாரம் பெறும், பரவலாக்கப்பட்ட உணர்வி வலைப்பின்னல்களைச் சாத்தியமாக்குவதன் மூலம், கடல்சார் பொருட்களின் இணையத்தின் (MIoT) வளர்ச்சிக்கு TENGகள் ஆதரவளிக்கின்றன. இதன்மூலம் கடல்களின் நலம், காலநிலை மாற்றம், கடல்சார் நடவடிக்கைகள் குறித்த நிகழ்நேரத் தரவை வழங்க முடியும்.

மேலும், காற்று மற்றும் சூரிய ஆற்றல் போன்ற பிற புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றல் மூலங்களுடன் TENGகளை ஒருங்கிணைப்பது, கடலுக்கு அப்பால் உள்ள தளங்கள், கடல்வாழ் உயிரின வளர்ப்பு, கடலோரச் சமூகங்கள் ஆகியவற்றுக்கு ஆதரவளிக்கக்கூடிய மீள்திறன் கொண்ட கலப்பின மின்சார அமைப்புகளை உருவாக்கும். கடல்நீரிலிருந்து ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி செய்வதற்கான சாத்தியம், மேலும் ஒரு புதிய பரிமாணத்தைச் சேர்த்து, கடலிலிருந்தே தூய எரிபொருளை உருவாக்கும் வழியை வழங்குகிறது.

சுருக்கம்

• மேம்பட்ட உராய்வு மின்னேற்ற நானோமின்னாக்கிகளைப் (TENGs) பயன்படுத்தி, கடல் அலை ஆற்றலை மின்சாரமாக மாற்றுவதில் சீன ஆய்வாளர்கள் 117% என்ற சாதனைச் செயல்திறனை எட்டியுள்ளனர்.
• குறைந்த அதிர்வெண் கொண்ட, பல திசைகளில் நிகழும் அலை ஆற்றலைச் சேகரிப்பதில் TENGகள் சிறந்து விளங்குகின்றன. கடல் சூழல்களில் பாரம்பரிய மின்காந்த மின்னாக்கிகளைவிட மேம்பட்ட செயல்திறனையும் காட்டுகின்றன.
• ஓரிகாமி மடிப்புகள், காந்த மிதவைச் சட்டங்கள், கோள வடிவக் கட்டமைப்புகள் போன்ற புதுமையான வடிவமைப்புகள் ஆற்றல் சேகரிப்பையும் சாதனங்களின் நீடித்துழைப்பையும் அதிகரிக்கின்றன.
• TENGகளை மின்காந்த மற்றும் அழுத்த மின்னாக்கிகளுடன் இணைக்கும் கலப்பின அமைப்புகள் செயல்திறனையும் நம்பகத்தன்மையையும் மேலும் உயர்த்துகின்றன.
• தாமாகவே மின்சாரம் பெறும் கடல் மிதவைகள், கடல்சார் IoT வலைப்பின்னல்கள், சுற்றுச்சூழல் கண்காணிப்பு, ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி ஆகியவை நிஜ உலகப் பயன்பாடுகளில் அடங்கும்.
• சோதனை முறைகளைத் தரப்படுத்துதல், நீடித்துழைப்பை உறுதிசெய்தல், நிறுவலை விரிவுபடுத்துதல் ஆகிய சவால்கள் நீடிக்கின்றன. ஆனால், நடைபெற்று வரும் ஆய்வுகள் இவற்றை விரைவாகக் கையாள்கின்றன.
• நீல ஆற்றல் புரட்சி, கடல்களுக்கு மின்சாரம் வழங்கும் மற்றும் அவற்றைக் கண்காணிக்கும் முறையை மாற்றி, நிலையான, இணைக்கப்பட்ட எதிர்காலத்துக்கு ஆதரவளிக்கும் என எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.