लोग अक्सर "बिजली को बोतल में डालना" को एक काल्पनिक रूपक के रूप में सोचते हैं, लेकिन शायद ही कभी कल्पना करते हैं कि अगर यह वास्तव में किया जाता है तो आगे और क्या किया जा सकता है। अब, नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने न केवल प्रयोगशाला में "बिजली फँसा ली है", बल्कि इसका उपयोग स्वच्छ ईंधन, मेथनॉल बनाने के लिए भी कर रहे हैं। वे मीथेन को सीधे मेथनॉल में परिवर्तित करने के लिए ग्लास ट्यूबों में निहित प्लाज्मा का उपयोग करते हैं, जिससे ऊर्जा और चरम कामकाजी परिस्थितियों पर पारंपरिक प्रक्रियाओं की निर्भरता काफी कम हो जाती है।
मेथनॉल एक बुनियादी रसायन है जिसका व्यापक उपयोग होता है। यह कुछ प्लास्टिक और एसिड के लिए एक महत्वपूर्ण कच्चा माल है, और इसका उपयोग ऑटोमोबाइल, जहाजों और खाना पकाने के स्टोव के लिए स्वच्छ ईंधन के रूप में किया जा सकता है। इसका उपयोग औद्योगिक सॉल्वैंट्स और सीवेज उपचार में भी व्यापक रूप से किया जाता है। हालाँकि, उद्योग में मेथनॉल उत्पादन के लिए वर्तमान मुख्यधारा मार्ग अत्यधिक ऊर्जा-खपत वाला और जटिल है, और शुरुआती बिंदु भी मीथेन गैस है। पारंपरिक प्रक्रिया में, मीथेन को पहले लगभग 800 डिग्री सेल्सियस पर उच्च तापमान वाले जल वाष्प में कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन में तोड़ दिया जाता है, और फिर लगभग 200 से 300 वायुमंडल के उच्च दबाव पर एक अन्य उपकरण में मेथनॉल अणुओं को उत्पन्न करने के लिए एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के माध्यम से पुन: संयोजित किया जाता है। यद्यपि इस मार्ग की तकनीक परिपक्व है, लेकिन इस तरह के उच्च तापमान और दबाव को बनाए रखने से बहुत अधिक ऊर्जा की खपत होती है और बड़ी मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जित होता है, जो उत्सर्जन में कमी की बढ़ती कठोर मांगों के विपरीत है।
वैज्ञानिक समुदाय एक सरल, कम ऊर्जा-गहन विकल्प की तलाश में है, लेकिन मेथनॉल उत्पादन स्वयं कठिनाई की एक और परत प्रस्तुत करता है। कठोर परिस्थितियों में मीथेन को विघटित करना निश्चित रूप से आसान नहीं है। भले ही मेथनॉल का सफलतापूर्वक उत्पादन किया जाता है, मेथनॉल अणु स्वयं बेहद प्रतिक्रियाशील होते हैं और आसानी से प्रतिक्रिया करना जारी रख सकते हैं और आगे कार्बन डाइऑक्साइड में ऑक्सीकृत हो सकते हैं। इसका मतलब यह है कि प्रक्रिया को न केवल मीथेन को "तोड़ना" चाहिए, बल्कि प्रतिक्रिया प्रक्रिया को समय पर समाप्त करने के लिए सही समय पर "ब्रेक दबाना" भी चाहिए, जिसे इंजीनियरिंग में हासिल करना आसान नहीं है।
इन दो प्रमुख चुनौतियों के जवाब में, नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी टीम ने एक नई प्रणाली का प्रस्ताव रखा जिसे "बोतल में बिजली" कहा जा सकता है। अत्यधिक तापमान और दबाव पर भरोसा करने के बजाय, शोधकर्ता ग्लास ट्यूब में प्लाज्मा - बिजली के समान पदार्थ की एक उच्च-ऊर्जा अवस्था - बनाने के लिए पानी से भरे रिएक्टर में छोटी, उच्च-ऊर्जा विद्युत दालों का उपयोग करते हैं। रिएक्टर के अंदर, मीथेन गैस को एक छिद्रपूर्ण ग्लास ट्यूब में पारित किया जाता है, और ट्यूब की दीवार की सतह को कॉपर ऑक्साइड उत्प्रेरक से लोड किया जाता है; जब एक हाई-वोल्टेज इलेक्ट्रिक पल्स लगाया जाता है, तो ट्यूब में गैस तुरंत प्लाज्मा में परिवर्तित हो जाती है, जिससे मीथेन और पानी के अणु एक ही समय में टूटकर अत्यधिक प्रतिक्रियाशील टुकड़े बन जाते हैं।
ये टुकड़े बहुत ही कम समय में पुनः संयोजित होकर मेथनॉल बनाएंगे और रिएक्टर में पानी उत्पन्न मेथनॉल को तुरंत "विघटित" कर देगा। अनुसंधान टीम ने बताया कि यह तेजी से अवशोषण महत्वपूर्ण है, जो मेथनॉल को कार्बन डाइऑक्साइड में ऑक्सीकरण जारी रखने से रोकने के लिए एक आदर्श नोड पर प्रतिक्रिया को "ठंड" करने के बराबर है, जो मूल रूप से पारंपरिक प्रक्रियाओं में अपरिहार्य अति-प्रतिक्रिया समस्या को दरकिनार कर देता है।
दक्षता में और सुधार करने के लिए, टीम ने सिस्टम में आर्गन गैस भी पेश की। आर्गन सामान्य परिस्थितियों में रासायनिक रूप से बेहद निष्क्रिय है, लेकिन प्लाज्मा वातावरण में यह उन प्रतिक्रियाओं में भाग लेता है जो निर्वहन प्रक्रिया को स्थिर करने और अवांछित साइड प्रतिक्रियाओं को दबाने में मदद करते हैं। इस परिचालन स्थिति के तहत, मेथनॉल के लिए सिस्टम की चयनात्मकता में काफी सुधार हुआ है, साथ ही हाइड्रोजन और एथिलीन जैसे मूल्यवान उप-उत्पादों की थोड़ी मात्रा का उत्पादन भी होता है।
पेपर के सह-लेखक डेने स्वियरर ने कहा कि मेथनॉल के अलावा, सिस्टम ने एथिलीन और हाइड्रोजन के साथ-साथ थोड़ी मात्रा में प्रोपेन का भी उत्पादन किया, जो स्वयं उच्च मूल्य वाले रसायन या ईंधन हैं। एथिलीन प्लास्टिक के उत्पादन के लिए एक महत्वपूर्ण अग्रदूत मोनोमर है, और हाइड्रोजन एक प्रमुख थोक आधार रसायन और शून्य-कार्बन ईंधन है। उन्होंने जोर दिया: "हमने मेथनॉल, एथिलीन, हाइड्रोजन और थोड़ी मात्रा में प्रोपेन के बदले में बहुत प्रचुर मात्रा में मीथेन गैस का उपयोग किया। ये उत्पाद स्वयं आर्थिक रूप से अधिक मूल्यवान हैं।"
कुल मिलाकर इस तकनीक को मेथनॉल उत्पादन के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम के रूप में देखा जा रहा है। सबसे पहले, यह मूल रूप से अत्यधिक तापमान और दबाव की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे उत्पादन लागत, ऊर्जा खपत और पर्यावरणीय पदचिह्न में काफी कमी आती है। दूसरे, नई प्रक्रिया मूल बहु-चरण और जटिल प्रक्रिया को लगभग एक-चरणीय प्रतिक्रिया में संपीड़ित करती है: बेकार या हानिकारक उप-उत्पादों को कम करते हुए मीथेन को उसी प्रणाली में सीधे मेथनॉल में परिवर्तित किया जाता है।
वर्तमान में, यह "बोतल में बिजली" उपकरण अभी भी प्रयोगशाला पैमाने पर है, लेकिन अगर इसे भविष्य में सफलतापूर्वक बढ़ाया जा सकता है, तो मीथेन के ऑन-साइट रूपांतरण के लिए एक वितरित प्रणाली का एहसास होने की उम्मीद है। शोधकर्ताओं ने कल्पना की है कि इस प्रचुर लेकिन अत्यधिक कुशल ग्रीनहाउस गैस को सीधे मूल्यवान औद्योगिक रसायनों में परिवर्तित करने के लिए ऐसे उपकरणों को दूरदराज के स्थानों या मीथेन रिसाव वाले स्थानों पर तैनात किया जा सकता है। स्वेलर ने बताया कि लीक हुई मीथेन से निपटने के लिए वर्तमान पारंपरिक तरीका इसे मौके पर ही प्रज्वलित करना और मीथेन को कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित करना है। हालाँकि ग्रीनहाउस प्रभाव मीथेन की तुलना में थोड़ा कम है, फिर भी यह जलवायु वार्मिंग को बढ़ाएगा। और यदि छोटे रिएक्टर को सीधे रिसाव के स्रोत पर भेजा जाए, तो जो मीथेन सीधे जलाया जाएगा उसे परिवहन योग्य तरल ईंधन में बदला जा सकता है।
इसके बाद, टीम सिस्टम प्रदर्शन को अनुकूलित करना जारी रखेगी और यह पता लगाएगी कि उच्च शुद्धता वाले मेथनॉल उत्पादों को कुशलतापूर्वक कैसे पुनर्प्राप्त और अलग किया जाए। प्रासंगिक शोध परिणाम अमेरिकन केमिकल सोसायटी के जर्नल में प्रकाशित किए गए हैं।