न्यू साइंटिस्ट, यूके : रोजमर्रा के जीवन में बैटरी कभी भी लंबे समय तक नहीं चलती है. हमें हर दिन अपने फोन को चार्ज करना पड़ता है, लैपटॉप में लगातार पावर केबल्स लगा रहता है, इलेक्ट्रिक कार केवल थोड़ी दूर तक जा कर बंद हो जाती है. यह सब हमें एक नयी अल्टीमेट बैटरी की जरूरत महसूस कराता है. हो सकता है कि हम उस बैटरी के बिल्कुल करीब हों. वॉयजर प्रोब एक कमजोर परमाणु ऊर्जा स्रोत को नियोजित करती है, जिसके रेडियोधर्मी होने के कारण, पृथ्वी पर उपयोग करने के लिए खतरनाक माना जाता है, लेकिन यह ऊर्जा का एक निकट संबंधित रूप है जो बहुत ऊर्जा के साथ है और आपकी औसत कार में सुरक्षित रूप से काम कर सकता है.
हम ऊर्जा को स्टोर करने के अधिकांश तरीकों में रसायन विज्ञान को शामिल करते हैं. जब हम एक कार के इंजन में पेट्रोल जलाते हैं, तो हम रासायनिक बांड में संग्रहीत ऊर्जा को शुरू कर रहे हैं. इसी तरह, मोबाइल फोन जैसे उपकरणों में लिथियम-आधारित बैटरी चार्ज आयनों को प्रवाह की अनुमति देकर काम करती है, लेकिन अगर हम रसायन विज्ञान से परे देखें तो परमाणु के अंदर अधिक शक्ति है.
प्रत्येक परमाणु में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नामक कणों से बना एक नाभिक होता है. इलेक्ट्रॉनों के एक बादल नाभिक की परिक्रमा करते हैं. ये प्रोटॉन और न्यूट्रॉन आमतौर पर एक तारे के अंदर अत्यधिक तापमान और दबाव में एक साथ पिघल जाते हैं और अगर आप सही तरीके से एक परमाणु के नाभिक में खोज करते हैं, तो आप उस भयानक शक्ति में से कुछ अच्छा निकाल सकते हैं.
हम मुख्य रूप से परमाणु विखंडन करते हैं, जिसमें एक नाभिक न्यूट्रॉन छोड़ता है जो तब अधिक परमाणुओं को विभाजित कर सकता है, जिससे एक श्रृंखला प्रतिक्रिया होती है जो भारी मात्रा में ऊर्जा जारी करती है. इस तरह से ही दुनिया के 440-विषम परमाणु ऊर्जा संयंत्र काम करते हैं.
वॉयजर प्रोब एक अलग तरीके से अपनी शक्ति प्राप्त करते हैं, वे प्राकृतिक रेडियोधर्मिता का उपयोग करते हैं. कुछ परमाणु अस्थिर होते हैं और पदार्थ का एक हिस्सा बाहर निकाल देते हैं. यह दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन (अल्फा विकिरण), एक इलेक्ट्रॉन (बीटा विकिरण), या गामा किरणों के रूप में कच्ची ऊर्जा का एक समूह हो सकता है. हम यह अनुमान नहीं लगा सकते हैं कि इन तरीकों से एक विशिष्ट परमाणु क्षय होगा, लेकिन हम कह सकते हैं कि ऐसा करने के लिए रेडियोधर्मी मटेरियल के एक हिस्से में परमाणुओं के आधे से कितना समय लगेगा. यह इसका आधा जीवन है और इसकी संख्या व्यापक रूप से भिन्न हो सकती है.
कुछ रेडियोधर्मी पदार्थ सेकंडों में गायब हो जाते हैं. प्लूटोनियम -238 का आधा जीवन 87.7 साल है, यही वजह है कि इसे वॉयजर 2 के लिए शक्ति स्रोत के रूप में चुना गया था. प्लूटोनियम अल्फा कणों की एक धारा को बाहर निकालता है, जिससे गर्मी पैदा होती है जो प्रोब के तीन मोटे आकार के रेडियोसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर द्वारा बिजली में बदल दिया जाता है.
अमेरिकी सेना जिस अवधारणा पर चल रही है वह एक प्रकार की परमाणु शक्ति है जो कुछ अन्य प्रकार के सर्वश्रेष्ठ बिट्स को मिश्रित करती है. यह शक्तिशाली, सुरक्षित और लंबे समय तक चलने वाला हो सकता है. यह इस तथ्य पर निर्भर करता है कि एक परमाणु नाभिक में अलग-अलग व्यवस्थाओं में एक विशेष तत्व के प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को एक साथ क्लस्टर किया जा सकता है. इन्हें आइसोमर्स कहा जाता है और प्रत्येक में एक अलग ऊर्जा होती है. परमाणु आमतौर पर उनके सबसे स्थिर आइसोमर, जमीनी अवस्था(ग्राउड स्टेट) में रहते हैं. उच्च ऊर्जा के आइसोमर्स जल्दी से अपने आप को इस स्थिति में वापस व्यवस्थित करते हैं, लेकिन कुछ उच्च-ऊर्जा आइसोमर्स लंबे समय तक घूमते रहते हैं.
पेंट-अप ऊर्जा
1998 में टेक्सास विश्वविद्यालय में कार्ल कॉलिन्स ने इन स्थिर उच्च-ऊर्जा आइसोमर्स में से एक को तैयार करने के लिए कण त्वरक (ऐक्सेलरेटर) का उपयोग किया, जिसे हेफनियम -172 एम 2 कहा जाता है (एम 2 नोटेशन का अर्थ है, यह हैफनियम -178 का दूसरा आइसोमर है). फिर उन्होंने उसके नाभिक पर एक्स-रे डाला और दावा किया कि इससे गामा किरणें निकलेंगी और नाभिक को उसकी जमीनी अवस्था में स्थानांतरित कर दिया जाएगा. इन्हें ऊर्जा स्रोत के रूप में टैप करना कठिन होगा, क्योंकि वे खतरनाक हैं, लेकिन कोलिन्स ने इसे सिद्धांत के प्रमाण के रूप में देखा कि परमाणु आइसोमर्स उपयोगी शक्ति स्रोत हो सकते हैं. उसने सोचा कि इन्हें एक नए प्रकार के परमाणु बम के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है.
अन्य उच्च-ऊर्जा आइसोमर्स से समस्याएं हो सकती हैं. उदाहरण के लिए, टैंटलम -180 एम नेचुरल रूप से होता है. सिल्वर -108m बीटा विकिरण पैदा करता है, जो कम खतरनाक और टैप करने में आसान है. इसमें से कोई भी आइसोमर पावर को सुरक्षित नहीं बनाता है, लेकिन प्रभावी रूप से असीमित ऊर्जा स्रोत बनाने से यह सार्थक बना सकता है.
कॉलिन्स का दृष्टिकोण एक आइसोमर की सभी पंच-अप शक्ति को एक बार में प्राप्त करना था, लेकिन सैद्धांतिक रूप से यह अलग और यकीनन अधिक उपयोगी विधि है. हम दशकों से इसके बारे में जानते हैं, लेकिन अभी तक इसका ठीक से पालन नहीं किया गया है.
कल्पना कीजिए कि आपके पास रेडियोधर्मी आइसोमर की एक गांठ है, जो कि हेफनियम -172 एम 2 की तरह है और इसमें स्थिर उच्च ऊर्जा है, जिसे आप लंबे समय तक कंटेनर में सुरक्षित रूप से रख सकते हैं, क्योंकि यह किसी भी विकिरण को मुश्किल से उत्सर्जित करता है. जब आपको कुछ ऊर्जा की आवश्यकता होती है, तो आप इसकी थोड़ी सी मात्रा को इसकी जमीनी अवस्था में परिवर्तित कर सकते हैं, जो कम स्थिर होती है और रेडियोधर्मी रूप से जल्दी क्षय होने लगती है. यह आपको वॉयजर 2 के समान एक जेनरेटर देता है, लेकिन इच्छाशक्ति के आधार पर क्रैंक किया जा सकता है.
मैरीलैंड के एडेल्फी में यूएस आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी में जेम्स कैरोल ने इस बात की जांच की है कि क्या इस तरह से आइसोमर्स को आपस में जोड़ना संभव है. इसे करने का एक संभावित तरीका पहली बार 1976 में प्रस्तावित किया गया था. इसमें एक आइसोमर में एक इलेक्ट्रॉन को निकालना शामिल है और इसे नाभिक के चारों ओर एक कक्षा में अवशोषित किया जा सकता है. यह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को पुनर्व्यवस्थित करने का संकेत देता है. इसे इलेक्ट्रान कैप्चर (एनईईसी) द्वारा परमाणु उत्तेजना कहा जाता है.
कैरोल और उनकी टीम ने लगभग 7 घंटे के आधे जीवन के साथ मोलिब्डेनम -93 मीटर परमाणुओं का एक बीम बनाने के लिए शिकागो के पास आर्गोन नेशनल लैबोरेटरी में कण त्वरक का उपयोग किया. यह बीम प्रकाश की गति की लगभग 10 प्रतिशत की गति से यात्रा कर रही थी, जो कुछ परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों को दूर करने के लिए काफी तेज थी. इसके बाद इसे एक लक्ष्य में तोड़ दिया गया, जिसने नाभिक में वापस इलेक्ट्रॉनों को इंजेक्ट किया और उन्हें कम स्थिर आइसोमर में डाल दिया. यह आइसोमर इतनी जल्दी क्षय हो जाता है कि शोधकर्ता इसका निरीक्षण नहीं कर पाते हैं, लेकिन वे अनुमान लगाते हैं कि यह गामा किरणों द्वारा निर्मित किया गया था. यह काम पहली बार एनईईसी द्वारा 2018 में प्रकाशित किया गया था.
ब्रिटेन के सरे विश्वविद्यालय में परमाणु आइसोमर भौतिकी का अध्ययन करने वाले फिलिप वाकर कहते है कि यह प्रयोग एक महत्वपूर्ण कदम है, लेकिन एनईईसी जूरी के लिए एक सफलता है या नहीं, इस बारे में जूरी कुछ नहीं कह रही है. यह काम बड़े पैमाने पर है, क्योंकि इस बात पर विवाद है कि आइसोमर्स से कितनी ऊर्जा बाहर निकल सकती है. कैरोल के आंकड़ों से पता चलता है कि यह प्रक्रिया एनईईसी से गुजरने वाले परमाणुओं का एक प्रतिशत मानते हुए हर जूल के लिए 5 जूल ऊर्जा का उत्पादन कर सकती है.
कैरोल ने माना कि आइसोमर्स बैटरी के रूप में व्यावहारिक उपयोग से दूर है, लेकिन कोलिन्स के काम के बाद जो तर्क दिए गए वे अभी भी लागू होते हैं. ऐसे कई आइसोमर्स हैं जो अधिक सुलभ और दोहन के लिए आसान हो सकते हैं. परेशानी यह है कि आइसोमर्स के सटीक गुणों की गणना करना कठिन है और हम यह तब तक नहीं जान पाएंगे जब तक हम उन्हें आजमा नहीं लेते कि वे कितने उपयुक्त हैं.
आर्मी, रिसर्च लेबोरेटरी पोलैंड के परमाणु विभाग और स्वियर में डिपार्टमेंट ऑफ न्यूक्लियर टेक्निक एंड इक्विपमेंट को आइसोमर रिक्तीकरण के विज्ञान का पता लगाने के लिए तैयार कर रही है. टीम का नेतृत्व जेसेक रेजादेकविक्ज द्वारा किया गया है और इसकी पोलिश मारिया प्रयोगात्मक परमाणु रिएक्टर तक पहुंच है, जो विभिन्न आइसोमरों की एक किस्म का उत्पादन कर सकता है. रेजादेकविक्ज का कहना है की परियोजना का लक्ष्य आइसोमर्स को चार्ज करने की प्रक्रिया की प्रकृति और उनके डिमांड ऑन डिस्चार्ज को सीखना है. दूसरे शब्दों में, हम यह पता करेंगे कि कौन से आइसोमर्स एक अच्छी बैटरी बनाते हैं. पोलिश टीम रैनियम -186 मी और एमेरियम -242 मी को अन्य आइसोमर्स के बीच अधिक उपयोगी मान रहे हैं.
फिलहाल, इस बात का कोई मतलब नहीं है कि कण त्वरक की तुलना में आइसोमर शिफ्टिंग को किस तरह से छोटे स्तर पर किया जा सकता है. काम के लिए आइसोमर बैटरी प्राप्त करने के लिए पर्याप्त ड्राइव है, क्योंकि वे बड़ी मात्रा में ऊर्जा की एक छोटी मात्रा में पैक कर सकते हैं. रेजादेकविक्ज का कहना है कि आइसोमर्स प्रति ग्राम गिगाजॉल्स की क्षमता के साथ ऊर्जा स्टोर कर सकते हैं. यह लिथियम आयन बैटरी से एक लाख गुना अधिक है और पेट्रोल की तुलना में हजारों गुना अधिक है.
कैरोल का कहना है कि सेना के उपकरणों के इस्तेमाल के लिए एसएमईटी के रूप में जानी जाने वाली एक अप्रयुक्त सेना के वाहन को एक किलोग्राम एमरिकियम -242 मी पर 163 दिनों तक चलाया जा सकता है. वर्तमान समय में 20 लीटर पेट्रोल पर यह तीन दिनों तक चलता है. ड्रोन या रोबोट पनडुब्बियों को आइसोमर ऊर्जा स्रोत भी दिए जा सकते हैं. अब यह समझना आसान है कि अमेरिकी सेना इसमें इतनी दिलचस्पी क्यों दिखा रही है.
'परमाणु' नाम के साथ सुरक्षा किसी भी चीज के लिए चिंता का विषय है और यदि आइसोमर शक्ति गामा किरणों का उत्पादन करती है, तो यह इसके उपयोग को रोक देगा. अगर ऐसा आइसोमर्स में पाया जाता है जो कि बीटा या अल्फा कणों का उत्सर्जन करता है, तो यह संभव हो सकता है. बहुत से लोग रेडियोथेरेपी और डायग्नोस्टिक्स के लिए उपयोग की जाने वाली मटेरियल के भंडार के करीब काम करते हैं. सरे विश्वविद्यालय में पैट्रिक रेगन का कहना है कि एक बैटरी के लिए आवश्यक रेडियोधर्मी मटेरियल की मात्रा शायद अस्पतालों के आस-पास नियमित रूप से भेजी जाने वाले मटेरियल से कम है. आइसोमर्स अन्य प्रकार की परमाणु ऊर्जा के सर्वश्रेष्ठ बिट्स को मिलाता है. वे सुरक्षित, शक्तिशाली और लंबे समय तक चलने वाले हो सकते हैं.
आइसोमर पावर लंबे शॉट्स का सबसे लंबा हिस्सा है, लेकिन तब हमारी कई बड़ी उपलब्धियां शुरुआत में ही इस तरह की लग रही थीं, जब अंतरिक्ष की दौड़ शुरू हुई, तो किसने सोचा होगा कि बस कुछ दशकों बाद हम सौर मंडल के ऐज से परे एक जांच भेजेंगे.
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