कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक जीवित जैव-बैटरी विकसित की है जो प्रकाश संश्लेषक शैवाल का उपयोग करके लगातार बिजली उत्पन्न करती है, जो रोजमर्रा के इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली लाखों डिस्पोजेबल बैटरियों का संभावित विकल्प पेश करती है। पारंपरिक बैटरियों के विपरीत, जो धीरे-धीरे संग्रहीत ऊर्जा से बाहर निकलती हैं, प्रायोगिक उपकरण प्रकाश संश्लेषण और श्वसन के दौरान जीवित साइनोबैक्टीरिया द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रॉनों के प्राकृतिक प्रवाह का उपयोग करता है, जिससे यह जीवों को नुकसान पहुंचाए बिना चौबीसों घंटे एक स्थिर विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने की अनुमति देता है। हालाँकि यह तकनीक वर्तमान में केवल निम्न स्तर की बिजली उत्पन्न करती है, वैज्ञानिकों का मानना है कि यह एक दिन बैटरी की बर्बादी को कम करते हुए कम-शक्ति वाले उपकरणों के लिए एक स्वच्छ, लंबे समय तक चलने वाला ऊर्जा स्रोत प्रदान कर सकती है।
कैसे कैंब्रिज वैज्ञानिकों ने शैवाल को जीवित बैटरी में बदल दिया
यह परियोजना कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के जैव रसायन विभाग में डॉ. पाओलो बॉम्बेली और प्रोफेसर क्रिस होवे के नेतृत्व में लगभग दो दशकों के शोध का परिणाम है। प्रौद्योगिकी पर काम 2006 में शुरू हुआ, जो एक सरल प्रश्न से प्रेरित था: क्या जीवित जीव बिना क्षतिग्रस्त हुए लगातार बिजली उत्पन्न कर सकते हैं?जवाब हां निकला.परियोजना के पीछे वैज्ञानिक अनुसंधान का नेतृत्व करने वाले डॉ. बॉम्बेली ने कहा, “हमने शैवाल में एक प्राकृतिक प्रक्रिया का उपयोग करने और पौधे को कोई नुकसान पहुंचाए बिना 24/7 निरंतर बिजली उत्पन्न करने के लिए इसका उपयोग करने का एक तरीका ढूंढ लिया है।”पारंपरिक बैटरियों के विपरीत, जो चलने से पहले एक सीमित मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत करती हैं, कैम्ब्रिज डिवाइस एक बायोसेल के रूप में कार्य करता है, जब तक अंदर सूक्ष्म जीव जीवित रहते हैं, तब तक लगातार बिजली का उत्पादन करता है।
जीवित बायो-बैटरी कैसे काम करती है
उपकरण के अंदर “शैवाल” वास्तव में प्रकाश संश्लेषक साइनोबैक्टीरिया, सूक्ष्म जलीय जीव हैं जो पहली बार अरबों साल पहले दिखाई दिए और प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से ऑक्सीजन का उत्पादन करके पृथ्वी के वायुमंडल को बदलने में मदद की।पौधों की तरह, साइनोबैक्टीरिया विकास के लिए ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए सूर्य के प्रकाश, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन लगातार कोशिकाओं के माध्यम से घूमते रहते हैं।उन सभी इलेक्ट्रॉनों को जीव के अंदर रहने की अनुमति देने के बजाय, शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया के सामान्य जैविक कार्यों में हस्तक्षेप किए बिना इलेक्ट्रोड का उपयोग करके उनमें से एक छोटे अंश को पकड़ने का एक तरीका खोजा। इलेक्ट्रॉनों का वह स्थिर प्रवाह एक सतत विद्युत धारा बन जाता है जो छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को शक्ति प्रदान करने में सक्षम होता है।
सूर्यास्त के बाद भी बैटरी बिजली क्यों पैदा करती रहती है?
प्रौद्योगिकी की सबसे आश्चर्यजनक विशेषताओं में से एक यह है कि यह पूर्ण अंधेरे में भी बिजली पैदा करती रहती है।दिन के उजाले के दौरान, साइनोबैक्टीरिया प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से सूर्य के प्रकाश को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। रात में, वे श्वसन पर स्विच करते हैं, जिससे दिन के दौरान जीवित रहने के लिए संग्रहीत ऊर्जा नष्ट हो जाती है।यह प्रक्रिया इलेक्ट्रॉन भी छोड़ती है, जिससे बायोसेल चौबीसों घंटे बिजली का उत्पादन जारी रख पाता है।बोम्बेली ने कहा, “हमारा उद्देश्य बैटरी की आवश्यकता से पूरी तरह छुटकारा पाना है।” “यह बिजली पैदा करने का एक बिल्कुल नया तरीका है जिसमें बिल्कुल भी रोशनी न होने पर भी चलने की क्षमता है, जो इसे पारंपरिक रासायनिक बैटरियों का अधिक हरित, दीर्घकालिक विकल्प बनाती है।”टीम की सबसे लंबे समय तक चलने वाली प्रायोगिक प्रणाली अब छह साल से अधिक समय से काम कर रही है, वही जीवित सूक्ष्मजीव अभी भी बिजली का उत्पादन कर रहे हैं।
शोधकर्ताओं का मानना है कि यह लाखों डिस्पोजेबल बैटरियों की जगह ले सकता है
कैम्ब्रिज के वैज्ञानिक स्मार्टफोन, लैपटॉप या इलेक्ट्रिक वाहनों में इस्तेमाल होने वाली लिथियम-आयन बैटरियों से प्रतिस्पर्धा करने की कोशिश नहीं कर रहे हैं। इसके बजाय, वे हर साल कम-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली अरबों छोटी डिस्पोजेबल बैटरियों को लक्षित कर रहे हैं।रिमोट कंट्रोल, डिजिटल घड़ियां, स्मोक अलार्म, वायरलेस सेंसर और इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) उपकरणों के लिए बहुत कम मात्रा में बिजली की आवश्यकता होती है, लेकिन सामूहिक रूप से भारी मात्रा में बैटरी बर्बाद होती है।परियोजना के प्रमुख अन्वेषक प्रोफेसर क्रिस होवे ने कहा, “डिस्पोजेबल बैटरियां, जिन्हें आप काम करना बंद कर देने पर फेंक देते हैं, ग्रह के लिए बहुत खराब हैं और हम अपने बायोसेल्स को प्रतिस्थापन के रूप में उपयोग करना चाहते हैं।”“हमारी तकनीक लाखों छोटी डिस्पोजेबल बैटरियों को ऊर्जा के अधिक स्वच्छ स्रोत से बदल सकती है। यह एक बड़ा पर्यावरणीय लाभ और वास्तव में रोमांचक संभावना है।”
यह तकनीक पारंपरिक बैटरियों की तुलना में अधिक हरित क्यों हो सकती है?
अधिकांश डिस्पोजेबल बैटरियां लिथियम, कोबाल्ट, निकल और मैंगनीज जैसी सामग्रियों पर निर्भर करती हैं, जिन्हें उपभोक्ताओं तक पहुंचने से पहले खनन और ऊर्जा-गहन प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। उनका निष्कर्षण ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन, आवास विनाश और अन्य पर्यावरणीय प्रभावों से जुड़ा है।इसके विपरीत, कैम्ब्रिज बायोसेल, सामान्य, सस्ती और बड़े पैमाने पर पुनर्चक्रण योग्य सामग्रियों के साथ जीवित साइनोबैक्टीरिया का उपयोग करता है।क्योंकि जीव प्राकृतिक जैविक प्रक्रियाओं के माध्यम से लगातार अपनी ऊर्जा को पुनर्जीवित करते हैं, एक बार संग्रहीत ऊर्जा समाप्त हो जाने पर पारंपरिक बैटरियों की तरह सिस्टम को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है।
घड़ियों को बिजली देने से लेकर फसलों की निगरानी तक
हालाँकि यह तकनीक अभी तक उच्च-ऊर्जा उपकरणों को शक्ति प्रदान नहीं कर सकती है, शोधकर्ताओं को कम-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए भारी संभावनाएँ दिख रही हैं।टीम के सबसे प्रसिद्ध प्रदर्शनों में से एक शैवाल-संचालित डिजिटल घड़ी है, जो पूरी तरह से जीवित साइनोबैक्टीरिया द्वारा उत्पन्न बिजली का उपयोग करके संचालित होती है।शोधकर्ताओं ने एक स्मार्ट प्लांट मॉनिटरिंग सिस्टम भी विकसित किया है जो लगातार मिट्टी की नमी, हवा के तापमान और आसपास की रोशनी को मापता है।इलेक्ट्रिकल इंजीनियर लिफू टैन ने बताया, “हमारे पास संयंत्र के चारों ओर प्रकाश की तीव्रता, हवा के तापमान और मिट्टी की नमी को मापने वाले सेंसर हैं, जो हमारे बायोसेल द्वारा लगातार संचालित होते हैं।”“हम इस डेटा को कनेक्टेड फोन ऐप पर देख सकते हैं ताकि यह जान सकें कि पौधे को वास्तव में क्या चाहिए, उदाहरण के लिए इसे कब पानी देना है, ताकि हम इसे समृद्ध रख सकें।”शोधकर्ताओं का यह भी मानना है कि प्रौद्योगिकी अंततः पर्यावरण निगरानी स्टेशनों को शक्ति प्रदान कर सकती है जो दूरदराज के क्षेत्रों में पानी की गुणवत्ता, प्रदूषण या मिट्टी की स्थिति को मापते हैं जहां बैटरी बदलना मुश्किल है।
यह दूरदराज के समुदायों में ऊर्जा पहुंच को क्यों बदल सकता है
टीम का मानना है कि जीवित जैव-बैटरी ऑफ-ग्रिड क्षेत्रों में विशेष रूप से मूल्यवान साबित हो सकती है जहां विश्वसनीय बिजली सीमित है।प्रोफेसर होवे उप-सहारा अफ्रीका के कुछ हिस्सों की ओर इशारा करते हैं, जहां मोबाइल फोन का स्वामित्व व्यापक है लेकिन चार्जिंग बुनियादी ढांचे की कमी हो सकती है।यदि प्रौद्योगिकी के भविष्य के संस्करण उच्च बिजली उत्पादन का उत्पादन करते हैं, तो वे डिस्पोजेबल बैटरी या विद्युत ग्रिड तक निरंतर पहुंच पर निर्भर किए बिना संचार उपकरणों, पर्यावरण सेंसर और कृषि निगरानी उपकरणों के लिए टिकाऊ बिजली प्रदान करने में मदद कर सकते हैं।
प्रयोगशाला अनुसंधान से लेकर वाणिज्यिक उत्पादों तक
किसी प्रायोगिक तकनीक को किसी ऐसी चीज़ में बदलना जिसे उपभोक्ता खरीद सकें, इसके लिए वैज्ञानिक खोज से कहीं अधिक की आवश्यकता होती है।उस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला प्रोटोटाइप को व्यावहारिक उत्पादों में बदलने के लिए बायो-डिजाइनर लूसिया गिरोन के साथ काम करते हुए स्टार्टअप कंपनी ई-फो की स्थापना की है।बोम्बेली ने कहा, “यह जानना कि तकनीक कैसे काम करती है, एक बात है, लेकिन इसे एक उत्पाद में बदलना बहुत अलग बात है।”गिरोन, जिनकी पृष्ठभूमि कला और टिकाऊ डिज़ाइन को जोड़ती है, ने कई प्रदर्शन प्रणालियाँ बनाई हैं, जिनमें शैवाल-संचालित घड़ी और भविष्य के व्यावसायिक अनुप्रयोगों के उद्देश्य से एक पुन: डिज़ाइन किया गया बायोसेल शामिल है।प्रोफेसर होवे का कहना है कि विकास शुरू होने के बाद से टीम ने बायोसेल के विद्युत उत्पादन को बीस गुना से अधिक बढ़ा दिया है, जिससे तकनीक वास्तविक दुनिया में उपयोग के लिए तेजी से व्यावहारिक हो गई है।
वैज्ञानिकों की अगली पीढ़ी को प्रेरणा देना
अपने व्यावसायिक कार्य के साथ-साथ, कैम्ब्रिज शोधकर्ताओं ने एक लिविंग टूलकिट विकसित किया है जो स्कूली छात्रों को शैवाल-संचालित सिस्टम बनाने और अपने स्वयं के प्रयोग करने की अनुमति देता है।शैक्षिक कार्यक्रम विद्यार्थियों को जीव विज्ञान, इलेक्ट्रॉनिक्स, नवीकरणीय ऊर्जा और टिकाऊ इंजीनियरिंग से परिचित कराता है और साथ ही यह प्रदर्शित करता है कि जीवित जीव भविष्य की ऊर्जा प्रौद्योगिकियों का हिस्सा कैसे बन सकते हैं।होवे ने कहा, “मेरा विचार है कि स्कूल पादप विज्ञान पाठ्यक्रम बहुत प्रेरणादायक या समसामयिक नहीं है।” “हम स्कूलों को कुछ ऐसा देना चाहते हैं जो आधुनिक दुनिया में पादप विज्ञान के महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों को प्रदर्शित करे।”
सफलता का महत्व
कैम्ब्रिज बायोसेल बिजली पैदा करने के लिए एक मौलिक रूप से अलग दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है। डिस्पोजेबल बैटरियों के अंदर सीमित रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर भरोसा करने के बजाय, यह नवीकरणीय ऊर्जा की निरंतर धारा का उत्पादन करने के लिए जीवित सूक्ष्मजीवों के प्राकृतिक चयापचय का उपयोग करता है। जबकि प्रौद्योगिकी ऊर्जा-गहन उपकरणों के लिए अनुपयुक्त है, इसमें घरों, कार्यस्थलों और दूरदराज के स्थानों में लाखों कम-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स को संचालित करने की क्षमता को बदलने की क्षमता है।लगभग बीस वर्षों के शोध के बाद, टीम का ध्यान अब विज्ञान को साबित करने से हटकर व्यावहारिक उपयोग के लिए प्रौद्योगिकी का विस्तार करने पर केंद्रित है। सफल होने पर, जीवित जैव-बैटरी एक दिन इलेक्ट्रॉनिक कचरे को कम कर सकती है, खनन की गई बैटरी सामग्री पर निर्भरता कम कर सकती है और अनगिनत रोजमर्रा के उपकरणों के लिए एक हरित विकल्प प्रदान कर सकती है जो आज चुपचाप डिस्पोजेबल बैटरी का उपभोग करते हैं।
