सार:
अर्कांसस विश्वविद्यालय और मिशिगन विश्वविद्यालय की अनुसंधान टीमों ने हाल ही में एक नई तकनीक का प्रदर्शन किया। उन्होंने एक ग्राफीन-आधारित ऊर्जा संचयन उपकरण विकसित किया है जो आसपास की बिजली लाइनों द्वारा उत्पन्न परिवेशीय विद्युत चुम्बकीय विकिरण से ऊर्जा एकत्र करता है और इसे विद्युत ऊर्जा में पावर सेंसर में परिवर्तित करता है, जो बैटरी या बिजली आपूर्ति लाइनों के बिना स्वतंत्र संचालन को सक्षम बनाता है।
शोधकर्ताओं ने इस तकनीक का उपयोग एक वायरलेस तापमान निगरानी प्रणाली बनाने के लिए किया जिसमें एक ग्राफीन ऊर्जा हार्वेस्टर, पावर रूपांतरण सर्किट, ऊर्जा भंडारण संधारित्र और अल्ट्रा-लो पावर तापमान सेंसर शामिल है। संपूर्ण सिस्टम विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के माध्यम से शक्ति प्राप्त करता है और पारंपरिक बैटरी पर भरोसा किए बिना तापमान का पता लगाने का कार्य पूरा कर सकता है।
कार्य सिद्धांत प्रत्यावर्ती धारा द्वारा उत्पन्न बदलते चुंबकीय क्षेत्र पर आधारित है। जब कोई विद्युत धारा किसी तार से होकर गुजरती है, तो यह उसके चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र बनाती है, और प्रत्यावर्ती धारा दिशा और तीव्रता बदलती रहती है, इस प्रकार लगातार एक बदलता चुंबकीय क्षेत्र जारी होता है जो ऊर्जा वहन करता है। अमेरिकी पावर ग्रिड में, यह परिवर्तन आम तौर पर प्रति सेकंड 60 बार होता है। अनुसंधान दल ने स्वतंत्र उपकरणों के लिए निरंतर बिजली प्रदान करने के लिए इन अन्यथा उपेक्षित ऊर्जा स्रोतों का उपयोग किया।
इस चुंबकीय क्षेत्र ऊर्जा को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने इंडक्टर्स बनाने के लिए ग्राफीन का उपयोग किया और चुंबकीय क्षेत्र संग्रह क्षमताओं को बढ़ाने के लिए एक स्टील कोर जोड़ा। जब एक उपकरण को बिजली लाइन के पास रखा जाता है, तो तार के चारों ओर बदलता चुंबकीय क्षेत्र प्रारंभ करनेवाला से होकर गुजरता है और इसके पार एक कमजोर एसी वोल्टेज प्रेरित करता है। यह प्रक्रिया पारंपरिक ट्रांसफार्मर और जनरेटर द्वारा उपयोग किए जाने वाले विद्युत चुम्बकीय प्रेरण का समान सिद्धांत है।
हालाँकि, प्रारंभ में उत्पन्न विद्युत सिग्नल सीधे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को नहीं चला सकते हैं। एक ओर, यह प्रत्यावर्ती धारा है, जबकि सेंसर को प्रत्यक्ष धारा की आवश्यकता होती है; दूसरी ओर, इसका वोल्टेज स्तर पर्याप्त नहीं है। इस प्रयोजन के लिए, अनुसंधान टीम ने प्रत्यावर्ती धारा को प्रत्यक्ष धारा में सुधारने और सेंसर द्वारा उपयोग करने योग्य स्तर तक वोल्टेज को धीरे-धीरे बढ़ाने के लिए कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन वोल्टेज डबललर पर आधारित एक बिजली रूपांतरण सर्किट डिजाइन किया।
पारंपरिक समाधानों के विपरीत, यह प्रणाली रिचार्जेबल बैटरी का उपयोग नहीं करती है, बल्कि एकत्रित विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए तीन कैपेसिटर का उपयोग करती है। संधारित्र धीरे-धीरे चार्ज जमा करता है, और शोधकर्ताओं का कहना है कि ऊर्जा हार्वेस्टर तापमान सेंसर की खपत की तुलना में तेजी से बिजली की भरपाई करता है, जिससे सिस्टम को दीर्घकालिक संचालन बनाए रखने की अनुमति मिलती है।
वोल्टेज बढ़ने और ऊर्जा भंडारण के बाद भी, इस तरह से प्राप्त बिजली का पैमाना अभी भी बहुत छोटा है। इस सीमा को अनुकूलित करने के लिए, अनुसंधान टीम ने विशेष रूप से एक अल्ट्रा-लो-पावर तापमान सेंसर डिज़ाइन किया है जिसकी बिजली खपत केवल नैनोवाट स्तर में है, जो एक वाट का एक अरबवां हिस्सा है। रिपोर्ट्स के मुताबिक, यह डिवाइस एयरपॉड्स हेडसेट की तुलना में लगभग 30 मिलियन गुना कम बिजली की खपत करता है।
शोधकर्ताओं ने कहा कि हालांकि ग्राफीन प्रारंभ करनेवाला जल्दी से ऊर्जा एकत्र नहीं करता है, फिर भी यह संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा को लगातार भरने के लिए पर्याप्त है। जब तक पास में विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का पर्याप्त स्रोत है, सिस्टम सैद्धांतिक रूप से अनिश्चित काल तक काम कर सकता है। साथ ही, संधारित्र अतिरिक्त बिजली भी संग्रहीत कर सकता है, ताकि यदि आसपास की बिजली अस्थायी रूप से बाधित हो, तो भी उपकरण काम करना जारी रख सके। टीम के अनुमान के अनुसार, संग्रहीत चार्ज सेंसर को कम से कम 24 घंटे तक चालू रख सकता है, और कुछ मामलों में इसके लगभग एक सप्ताह तक चलने की भी उम्मीद है।
अनुसंधान के नेता, प्रोफेसर पॉल सिबाडो ने बताया कि यद्यपि प्रारंभ करनेवाला जिस गति से संधारित्र को चार्ज देता है वह धीमी है, फिर भी यह उस गति से अधिक है जिस पर सेंसर बिजली की खपत करता है। इसलिए, बिजली बंद होने के बाद भी, सिस्टम कैपेसिटर में संग्रहीत ऊर्जा पर लंबे समय तक काम करना जारी रख सकता है।
शोध टीम का मानना है कि यह तकनीक बड़ी औद्योगिक सुविधाओं में तापमान निगरानी नेटवर्क के लिए उपयुक्त है। हजारों सेंसरों को अक्सर कारखानों, पाइपलाइन प्रणालियों और विभिन्न यांत्रिक उपकरणों के आसपास तैनात करने की आवश्यकता होती है। पारंपरिक समाधानों के लिए या तो जटिल बिजली आपूर्ति तारों की आवश्यकता होती है या बार-बार बैटरी बदलने की आवश्यकता होती है। नई प्रौद्योगिकियों को अपनाने के साथ, बड़ी संख्या में सेंसरों के तारों या बैटरी रखरखाव आवश्यकताओं के बिना लंबे समय तक काम करने की उम्मीद है।
हालांकि, शोधकर्ताओं ने प्रौद्योगिकी की सीमाओं पर भी प्रकाश डाला। सबसे पहले, उपकरण को बदलते चुंबकीय क्षेत्र के पास इतना मजबूत होना चाहिए कि यह किसी भी वातावरण में पतली हवा से बिजली उत्पन्न न कर सके। दूसरे, वर्तमान प्रयोगों ने यह साबित नहीं किया है कि सिस्टम पूरी तरह से शून्य-शक्ति स्थिति में अपने आप शुरू हो सकता है। परीक्षण प्रक्रिया के दौरान, कैपेसिटर को पहले से चार्ज करने की आवश्यकता होती है और प्रोसेसर को पहले से प्रोग्राम करने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, सिस्टम आउटपुट पावर बेहद कम है और वर्तमान में केवल विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए अल्ट्रा-लो-पावर सेंसर ही चला सकते हैं, जो स्मार्टफोन जैसे सामान्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को पावर देने के लिए पर्याप्त नहीं है।
फिर भी, टीम का मानना है कि यह उपलब्धि भविष्य में स्व-संचालित सेंसर के विकास के लिए एक महत्वपूर्ण दिशा प्रदान करती है। तापमान की निगरानी के अलावा, इसी तरह की प्रौद्योगिकियों का उपयोग भविष्य में उत्पाद ट्रैकिंग, वायुमंडलीय पर्यावरण निगरानी, रसद बेड़े प्रबंधन, मिट्टी की निगरानी, पहनने योग्य स्वास्थ्य उपकरणों और चिकित्सा ट्रैकिंग जैसे कई क्षेत्रों में भी किया जा सकता है।
साथ ही, शोधकर्ता बिजली उत्पन्न करने के लिए ध्वनिक ऊर्जा, गैर-रैखिक ऊर्जा, सौर ऊर्जा, तापीय ऊर्जा, गतिज ऊर्जा और पर्यावरणीय विकिरण के अन्य स्रोतों के उपयोग की भी खोज कर रहे हैं, अंततः एक स्वायत्त सेंसर प्रणाली विकसित करने की उम्मीद कर रहे हैं जो वास्तव में दीर्घकालिक, रखरखाव-मुक्त संचालन प्राप्त करने के लिए एक साथ कई पर्यावरणीय ऊर्जा स्रोतों से बिजली प्राप्त कर सके।
प्रासंगिक शोध परिणाम जर्नल ऑफ वैक्यूम साइंस एंड टेक्नोलॉजी में प्रकाशित किए गए हैं।
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