क्वांटम तंत्रज्ञान ऊर्जा निर्मितीचा एक व्यवहार्य स्त्रोत असू शकते आणि क्वांटम बॅटरी भविष्यात लिथियम-आयन बॅटरीसाठी एक विश्वासार्ह पर्याय देऊ शकतात.
जीवाश्म इंधनासारख्या पारंपरिक ऊर्जा स्त्रोतांचा पर्यावरणावर होणाऱ्या प्रतिकूल परिणामांचा उल्लेख केला नाही, तरी या स्रोतांमध्ये झपाट्याने घट होत असताना, जगाला आपल्या सतत वाढणाऱ्या ऊर्जेच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी पर्यायी साधनांची नितांत गरज भासत आहे. अशा पर्यायी प्रयत्नांमध्ये सौर, पवन, भू-औष्णिक आणि जल-ऊर्जा, आण्विक संलयन अणुभट्ट्या, हायड्रोजन ऊर्जा आणि सोडियम-आयन बॅटरी यांचा समावेश होतो. हे सर्व निश्चितच प्रशंसनीय प्रयत्न असले तरी, यातील बहुतेकांना गंभीर आव्हानांचा सामना करावा लागला आहे आणि परिणामी, यात कमी ते मध्यम यश संपादन होत आहे. जीवाश्म इंधनाचा व्यवहार्य पर्याय शोधण्याचा प्रयत्न सुरू आहे, मानवी कल्पकतेची पुन्हा एकदा कसोटी लागली आहे. या समस्येवर उत्तर मिळू शकते; मात्र, अगदी वेगळ्याच ठिकाणाहून, वास्तवाच्या क्वांटम स्वरूपातून.
एक शतकापूर्वी प्रस्थापित झाल्यानंतर, क्वांटम सिद्धांत हा भौतिकशास्त्र समुदायामध्येच चर्चेचा आणि वादाचा विषय राहिला आहे. हे अंशतः विषयाच्या गैर-अंतर्ज्ञानी स्वरूपामुळे आहे, कारण अशा सूक्ष्म मापनावर जग कसे काम करते याची कल्पना करणे आपल्याकरता अत्यंत कठीण आहे. असे दिसून आले की, विश्व हे क्वांटम मापनावर अगदी विलक्षण आहे आणि ते पारंपरिक तर्कशास्त्राला झुगारत असल्याचे दिसते. थोडक्यात, क्वांटम सिद्धांत केवळ विचित्र आहे. परिणामी, आजपर्यंतचा सर्वात यशस्वी आणि अचूक सिद्धांत असूनही, तो कुठेही पूर्णत्वाला पोहोचलेला नाही, आणि असे मूलभूत प्रश्न आहेत, जे अनुत्तरित आहेत.
जीवाश्म इंधनासारख्या पारंपरिक ऊर्जा स्त्रोतांचा जलद ऱ्हास होत असताना, त्यांचा पर्यावरणावर होणाऱ्या दुष्परिणामांचा नामोल्लेख केला नाही तरी जगाला आपल्या सतत वाढत असलेल्या ऊर्जेच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी पर्यायी माध्यमांची नितांत गरज भासत आहे.
निसर्ग मूलभूत स्तरावर कसे काम करतो हे समजून घेण्याच्या या प्रदीर्घ प्रयत्नाने आपल्याला एका अनपेक्षित मार्गावर नेले आहे, ज्याची आपण कल्पनाही करू शकत नव्हतो, आणि आता आपल्यासमोर एक महत्त्वाचा प्रश्न उपस्थित होत आहे- ऊर्जेचा पर्यायी स्त्रोत निर्माण करण्यासाठी पदार्थाच्या क्वांटम स्वरूपाचा उपयोग करणे शक्य आहे का? या क्षेत्रात सुरू असलेल्या संशोधनावरून असे दिसते की, या प्रश्नाचे उत्तर ‘होय’ आहे. ‘क्वांटम बॅटरी’ आणि ‘क्वांटम इंजिन’ यांवर होत असलेले अलीकडचे काम सूचित करते की, क्वांटम तंत्रज्ञान खरोखरच ऊर्जा निर्मितीच्या भविष्याची गुरुकिल्ली असू शकते आणि आपण या क्षेत्रात नुकते पाऊल टाकले आहे.
आत्तापुरते, ते दूरचे वास्तव असल्याचे दिसत असताना, टोकियो विद्यापीठ आणि बीजिंग संगणकीय संशोधन केंद्रातील शास्त्रज्ञांचा समावेश असलेल्या एका संशोधन गटाने अलीकडे प्रगती केली आहे, ज्यामुळे क्वांटम बॅटरी अपेक्षेपेक्षा लवकर- एक व्यावहारिक वास्तव बनू शकते. पारंपरिक रासायनिक बॅटरी चार्ज होण्यासाठी लिथियमसारख्या सामग्रीवर अवलंबून असतात. दुसरीकडे, क्वांटम बॅटरी ऊर्जा साठवण्यासाठी फोटॉनसारख्या मूलभूत एकक कणांचा वापर करतात.
सौर पॅनेल औष्णिक नुकसानीमुळे कार्यक्षमता गमावतात, परंतु अनिश्चित कार्यकारण क्रमाचा लाभ घेतल्याने हे नुकसान कमी होऊ शकते, ज्यामुळे लक्षणीयरीत्या वर्धित ऊर्जा उत्पादन होते.
गटाने वापरलेली अत्यावश्यक कल्पना म्हणजे ‘अनिश्चित कार्यकारण क्रम’ (आयसीओ) म्हणून ओळखली जाणारी एक पूर्णपणे क्वांटम गोष्ट आहे, जी वेळेच्या प्रवाहाची आपली सामान्य कल्पना सुधारते. साध्या डोळ्याने बघताना जग ‘कार्यकारणभावा’च्या नियमाचे पालन करते, जर घटना १ ही घटना २ च्या आधी असेल, तर उलट घडू शकत नाही. मात्र, क्वांटम जगाच्या बाबतीत हे आवश्यक ठरत नाही. अनिश्चित कार्यकारण क्रम सूचित करते की, घटना १ ने घटना २ आणि घटना २ ने घटना १, दुसऱ्यावर एका गोष्टीची नियुक्ती असे एकाचवेळी- ‘सुपरपोझिशन’च्या तत्त्वाद्वारे घडू शकते. यामुळे अनपेक्षित परिणाम झाला की, कमी-शक्तीचा चार्जर समान उपकरण वापरून उच्च-शक्तीच्या चार्जरच्या तुलनेत अधिक कार्यक्षमतेसह उच्च ऊर्जा प्रदान करू शकतो.
या प्रगतीचे परिणाम वाहून नेता येतील, अशा उपकरणांच्या पलीकडे आहेत. क्वांटम व्यवस्थेत उष्णता हस्तांतरण हाताळण्याची अनिश्चित कार्यकारण क्रमाची क्षमता सौर ऊर्जा हस्तगत करण्यात क्रांती घडवू शकते. औष्णिक नुकसानीमुळे सौर पॅनेल कार्यक्षमता गमावतात, परंतु अनिश्चित कार्यकारण क्रमाचा लाभ घेतल्याने हे नुकसान कमी होऊ शकते, ज्यामुळे ऊर्जा उत्पादनात लक्षणीय वाढ होते.
आकृती १: अनिश्चित कार्यकारण क्रमाने क्वांटम बॅटरी चार्ज करणे. शास्त्रीय जगात, जर तुम्ही दोन चार्जर वापरून बॅटरी चार्ज करण्याचा प्रयत्न केला असेल, तर तुम्हाला असे क्रमाने करावे लागेल, उपलब्ध पर्यायांना फक्त दोन संभाव्य क्रमापर्यंत मर्यादित ठेवावे लागेल. मात्र, अनिश्चित कार्यकारण क्रम नावाच्या नवीन क्वांटम परिणामाचा लाभ घेतल्याने क्वांटम बॅटरी विशिष्ट अपारंपरिक पद्धतीने चार्ज करण्याची शक्यता खुली होते. येथे, वेगवेगळ्या क्रमाने व्यवस्था केलेले एकाधिक चार्जर एकाच वेळी अस्तित्वात असू शकतात, एक क्वान्टम सुपरपोझिशन तयार करतात. स्रोत: चेन एट अल (२०२३).
जरी क्वांटम इंजिन हा बॅटरीपेक्षा अधिक महत्त्वाकांक्षी उपक्रम असला तरी, जर्मनीतील कैसरस्लॉटर्न विद्यापीठातील संशोधकांनी केलेले अलीकडील काम असे सूचित करते की, त्यांच्यात भविष्यात मोठी क्षमता असू शकते. पारंपरिक इंजिने उष्णता किंवा औष्णिक ऊर्जेचे यांत्रिक कार्यामध्ये रूपांतर करण्यासाठी ‘कारनॉट सायकल’ वापरतात, तर हे विशिष्ट क्वांटम इंजिन क्वांटम कणांच्या सांख्यिकीय गुणधर्मांच्या परिणामी उद्भवलेल्या ऊर्जेतील तफावतीवर काम करते.
बोसॉन सर्वात कमी उर्जेच्या अवस्थेत जमा होतात, तर फर्मिअन्स एकमेकांच्या वर चढत राहतात आणि एकमेकांवर रचले जातात, ज्यामुळे प्रणालीची ऊर्जा वाढते.
क्वांटम मेकॅनिक्सनुसार, निसर्गात दोन प्रकारचे कण असतात: बोसॉन आणि फर्मियन. कोणतीही उर्जा अवस्था अमर्यादपणे मोठ्या संख्येने बोसॉन सामावून घेऊ शकतात, परंतु ते एका विशिष्ट बिंदूवर फक्त एक फर्मिअन धारण करू शकतात, याचा अर्थ कोणताही दोन फर्मियन समान स्थिती व्यापू शकत नाही. हा प्रसिद्ध ‘पौली बहिष्कार तत्त्वा’चा पाया आहे.
हा प्रभाव खोलीच्या तापमानावर महत्त्वाचा नसला तरी, आपण कणांना निरपेक्ष शून्य तापमानात (-२७३o सेल्सिअस किंवा ० केल्विन) थंड केल्यामुळे तो अधिकाधिक प्रबळ होत जातो. बोसॉन सर्वात कमी उर्जेच्या अवस्थेत जमा होतात, तर फर्मिअन्स एकमेकांच्या वर चढत राहतात आणि एकमेकांवर रचले जातात, ज्यामुळे प्रणालीची ऊर्जा वाढते. म्हणून, फार कमी तापमानात, फर्मियन्समध्ये बोसॉनपेक्षा जास्त ऊर्जा असते.
आकृती २: निळे गोळे बोसॉन दर्शवतात आणि लाल आणि हिरवे गोळे फर्मियन्स दर्शवतात. हिरवे आणि लाल बॉल दोन फिरकी अवस्थांशी सुसंगत असतात (वर फिरतात आणि खाली फिरतात). बोसॉन जमिनीच्या अवस्थेत जमा होतात तर फर्मियन ऊर्जेत चढत राहतात. स्रोत: एस. विल (२०११)
२००० च्या दशकाच्या सुरुवातीस असे आढळून आले की, फर्मिअन्सच्या वायूचे बोसॉनमध्ये आणि उलट चुंबकीय क्षेत्र वापरून रूपांतर करणे शक्य आहे. जेव्हा ही प्रक्रिया चक्रीय पद्धतीने केली जाते, तेव्हा फर्मिअन्स आणि बोसॉनमधील ऊर्जेतील तफावत तत्त्वतः यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतरित केली जाऊ शकते, ज्याप्रकारे पारंपरिक इंजिन कार्य करते. येथे मुख्य फरक असा आहे की, उष्णता वापरण्याऐवजी, क्वांटम इंजिनमधील प्रेरक शक्ती क्वांटम कणांच्या मूलभूत स्वरूपातील तफावत असल्याचे दिसून येते. जरी हा प्रयोग संकल्पनेचा पुरावा होता, तरीही तो मांडत असलेल्या शक्यता नाकारता येत नाहीत. क्वांटम इंजिने भविष्यात क्वांटम कॉम्प्युटर आणि क्वांटम सेन्सर्सना ऊर्जेचा एक व्यवहार्य स्रोत बनवतील असे वाटत असताना, ते पूर्णपणे शक्यतेच्या कक्षेत आहे की ते आणखी मोठे बदल होऊ शकतात, ते पूर्णपणे शक्य आहे.
अलीकडे पर्यायी आणि अक्षय ऊर्जेच्या क्षेत्रात बरीच तांत्रिक प्रगती झाली आहे. मात्र, सर्व नसले तरी बहुतांश, मोठ्या प्रमाणात मर्यादित संसाधनांवर अवलंबून आहेत, जे अखेरीस संपुष्टात येतील. उदाहरणार्थ, आण्विक संलयन, ऊर्जेच्या सर्वात स्वच्छ स्रोतांपैकी एक असूनही, अजूनही ट्रिटियमसारख्या दुर्मिळ सामग्रीवर पूर्णपणे अवलंबून आहे. अर्धसंवाहकांच्या पुरवठ्यातील तीव्र टंचाईचा अलीकडेच २०२३ मध्ये इलेक्ट्रिक वाहनांच्या निर्मितीवर विपरीत परिणाम झाला, हा उद्योग भविष्यात आधीच लिथियम पुरवठ्याच्या तुटवड्याला सामोरे जाण्यासाठी सज्ज आहे. आणि हरित हायड्रोजन एक उत्साहवर्धक संभाव्यता वाटत असताना, या क्षणी तो आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य होण्यासाठी खूप महाग व अकार्यक्षम आहे आणि भविष्यात हे बदलेल की नाही हे पाहणे बाकी आहे.
अर्धसंवाहकांच्या पुरवठ्यातील तीव्र टंचाईचा अलीकडेच २०२३ मध्ये इलेक्ट्रिक वाहनांच्या निर्मितीवर विपरीत परिणाम झाला, हा उद्योग भविष्यात आधीच लिथियम पुरवठ्याच्या तुटवड्याला सामोरे जाण्यासाठी सज्ज आहे.
या संदर्भात, क्वांटम तंत्रज्ञान एक मार्ग प्रदान करू शकते, कारण ते कोणत्याही बाह्य संसाधनावर थेट अवलंबून नसून ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी ते पदार्थाच्या स्वरूपावर अवलंबून असते. जरी वर नमूद केलेल्या घडामोडी ही योग्य दिशेने टाकलेली छोटी पावले आहेत, आणि क्वांटम तंत्रज्ञान ऊर्जा निर्मितीचा एक व्यवहार्य स्त्रोत होण्यासाठी अनेक वर्षे लागू शकतात, तरीही यात प्रचंड क्षमता आहे. क्वांटम बॅटरी, उदाहरणार्थ, भविष्यात लिथियम-आयन बॅटरीसाठी एक विश्वासार्ह पर्याय होऊ शकतो. लिथियम खाणकामाचा पर्यावरणीय खर्च पाहता, त्याच्या वाढत्या टंचाईचा नामोल्लेख केला नाही तरी, जगाला पर्यायाची नितांत गरज आहे आणि क्वांटम तंत्रज्ञान नेमके तेच करू शकते.
भारताने २०७०च्या निव्वळ शून्य उद्दिष्टांचा एक भाग म्हणून पर्यायी ऊर्जेत मोठ्या प्रमाणात संसाधनांची गुंतवणूक करणे सुरू ठेवले आहे, राष्ट्रीय हरित हायड्रोजन मोहीम हे अलीकडचे उदाहरण आहे. आजपर्यंत ज्या गोष्टीचा खरोखर शोध लागला नाही, तो म्हणजे क्वांटम ऊर्जा निर्मिती. २०२३ च्या अर्थसंकल्पात ‘नॅशनल क्वांटम मिशन’ची घोषणा करण्यात आल्याने, पायाभूत काम आधीच केले गेले आहे. ‘नॅशनल क्वांटम मिशन’च्या कक्षेत क्वांटम ऊर्जा निर्मितीचा समावेश करणे हा भारताच्या या नाविन्यपूर्ण आणि उत्फुल्ल क्षेत्रात प्रयत्न सुरू करण्याचा एक चांगला मार्ग असेल, ज्यामध्ये ऊर्जा उत्पादनाचे चित्र पूर्णपणे बदलून टाकण्याची क्षमता आहे. ऊर्जा निर्मितीचे भविष्य क्वांटम मेकॅनिक्सच्या सूक्ष्म क्षेत्रात असू शकते.
प्रतिक त्रिपाठी हे ‘ऑब्झर्व्हर रिसर्च फाऊंडेशन’च्या सेंटर फॉर सिक्युरिटी स्ट्रॅटेजी अँड टेक्नॉलॉजी येथे संशोधन सहाय्यक आहेत.
The views expressed above belong to the author(s). ORF research and analyses now available on Telegram! Click here to access our curated content — blogs, longforms and interviews.
Prateek Tripathi is a Research Assistant Centre For Security Strategy and Technology at ORF. He was given a prize for outstanding physics achievement at the ...
Read More +
PREV
