हवा से निष्क्रिय रूप से पानी निकाल सकने वाली नई सामग्री विकसित
(blog.seas.upenn.edu)- University of Pennsylvania की शोध टीम ने बाहरी ऊर्जा के बिना हवा से पानी को निष्क्रिय रूप से निकाल सकने वाली एक नई अवधारणा वाली सामग्री खोजी है
- यह सामग्री hydrophilic nanopores और hydrophobic polymer के अनोखे संयोजन वाली संरचना पर आधारित है, जो छिद्रों के भीतर हवा की नमी को पकड़कर सतह पर छोड़ सकती है
- यह capillary condensation का प्रभावी उपयोग करती है, इसलिए कम आर्द्रता में भी काम करती है, और मौजूदा सामग्रियों की तुलना में पानी छिद्रों के भीतर रुके बिना सतह तक पहुँच जाता है
- इसका निर्माण तरीका अपेक्षाकृत सरल है और commercially scalable process के रूप में लागू किया जा सकता है, इसलिए शुष्क क्षेत्रों में water harvesting devices या electronic cooling जैसे उपयोगों में इसकी संभावनाएँ अधिक हैं
- आगे चलकर hydrophilic और hydrophobic अनुपात के optimization तथा वास्तविक उपयोग के लिए scale-up पर शोध किया जाएगा
नई प्रकार की nanostructured सामग्री की खोज
University of Pennsylvania के chemical engineering शोधकर्ताओं ने प्रयोगों के दौरान एक आकस्मिक अवलोकन के जरिए ऐसी नई nanostructured सामग्री खोजी, जो बिना बाहरी ऊर्जा के हवा में मौजूद जलवाष्प को पकड़कर सतह पर पानी की बूंदों के रूप में छोड़ती है
यह शोध कई क्षेत्रों के विशेषज्ञों के सहयोग से किया गया, और उम्मीद है कि यह सामग्री शुष्क क्षेत्रों में water harvesting या electronic device cooling जैसे विविध उपयोगों के लिए नए अवसर खोल सकती है
खोज की प्रक्रिया से सिद्धांत की पहचान
- शोध की शुरुआत में अनुमान लगाया गया था कि सतह पर बनने वाली पानी की बूंदें शायद प्रयोगशाला उपकरणों के तापमान अंतर जैसे बाहरी कारणों से बन रही हों
- लेकिन उन्होंने पुष्टि की कि सामग्री की मोटाई बढ़ाने पर सतह पर बनने वाले पानी की मात्रा भी साथ-साथ बढ़ती है
- इससे यह स्पष्ट हुआ कि पारंपरिक nanoporous materials से अलग, झिल्ली के भीतर संघनित पानी सतह तक पहुँचकर बूंदों के रूप में दिखाई देता है
nanopores कैसे काम करते हैं
- पारंपरिक water harvesting के लिए कम तापमान, अधिक आर्द्रता, या सतह को ठंडा करने हेतु बाहरी ऊर्जा की आवश्यकता होती है
- लेकिन यह नई सामग्री capillary condensation की वजह से कम आर्द्रता में भी nanopores के भीतर जलवाष्प को संघनित कर देती है
- इससे आगे, संघनित नमी छिद्रों में फँसकर नहीं रहती, बल्कि सतह तक पहुँचकर बूंदों के रूप में निकलती है
- बूंदों की curvature और आकार की तुलना में उनका evaporation rate बेहद कम होता है, इसलिए वे लंबे समय तक सतह पर स्थिर रह सकती हैं; यह मौजूदा सिद्धांतों से आगे की घटना है
मूल सिद्धांत का सत्यापन और विशिष्ट गुण
- झिल्ली की मोटाई और सतह पर पानी की बूंदों की मात्रा के बीच संबंध की पुष्टि करते हुए, शोधकर्ताओं ने यह साबित किया कि यह घटना सतही संघनन नहीं बल्कि छिद्रों के भीतर संग्रहित पानी से जुड़ी है
- बाहरी सहयोगी शोध टीमों ने भी इस घटना को दोहराया और इस विशेष nanostructured सामग्री की संभावनाओं पर ध्यान दिया
संतुलित material combination और उपयोग की संभावनाएँ
- hydrophilic nanoparticles और hydrophobic polyethylene के सटीक मिश्रण अनुपात की भूमिका बहुत महत्वपूर्ण है
- छिद्रों के भीतर छिपे हुए reservoir और सतह की पानी की बूंदें आपस में जुड़ी रहती हैं, जिससे हवा की नमी को लगातार पकड़ने वाला एक regenerative feedback loop बनता है
- यह सामग्री सामान्य polymers और nanoparticles से बनती है, इसलिए इसका mass production भी अपेक्षाकृत आसान है
- शुष्क क्षेत्रों में water harvesting, electronic devices और buildings के cooling surfaces, तथा humidity-responsive coatings जैसे विभिन्न औद्योगिक उपयोग संभव हैं
आगे का शोध और अपेक्षित प्रभाव
- अभी भी कार्यप्रणाली के विस्तृत स्पष्टीकरण, hydrophilic/hydrophobic अनुपात के optimization, बड़े पैमाने पर वास्तविक उपयोग, और एकत्रित बूंदों को सतह से अलग करने जैसे अतिरिक्त शोध कार्य बाकी हैं
- शोध टीम जैविक प्रणालियों में पानी को कुशलता से प्रबंधित करने के तरीकों का संदर्भ लेकर सामग्री डिज़ाइन में उन्हें शामिल कर रही है
- दीर्घकाल में इससे शुष्क क्षेत्रों के लिए स्वच्छ जल आपूर्ति या केवल पानी के वाष्पीकरण से चलने वाली पर्यावरण-अनुकूल cooling technology के विकास की संभावना है
शोध समर्थन
- यह शोध U.S. National Science Foundation (NSF), Department of Energy, Alfred P. Sloan Foundation सहित कई संस्थानों के समर्थन से किया गया
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
कहा जा रहा है कि एक नई nanostructured material बिना बाहरी ऊर्जा के हवा से पानी को खींचकर इकट्ठा कर सकती है और सतह पर छोड़ सकती है, इसलिए यह किसी high-tech dehumidifier bag जैसी लगती है। Wisesorb Moisture Eliminator जैसे calcium chloride वाले बैग unsaturated air से नमी सोखकर पानी की बूंदें बनाते हैं, लेकिन इस्तेमाल के बाद नया लेना पड़ता है या उबालकर फिर से restore करना पड़ता है। इस नई material में बूंदें material से चिपक जाती हैं और उन्हें हटाने के लिए ऊर्जा चाहिए। ऐसा नहीं है कि जादू की तरह पानी अपने-आप कंटेनर के नीचे टपक जाएगा। बूंदों को paper towel से पोंछा जा सकता है, लेकिन towel से फिर पानी निकालने के लिए भी ऊर्जा चाहिए। और "physics के नियमों को चुनौती देता है" जैसी अभिव्यक्ति सही नहीं है; मुझे लगता है कि university PR teams और tech journalists को यह सीखना चाहिए कि अगर उन्हें लगे कि physics के नियम टूट गए हैं, तो authors और independent experts से दो-तीन बार पुष्टि करें। भ्रम पैदा करने वाली पंक्तियाँ और शीर्षक दोनों university की प्रचार सामग्री से आए हैं
यह अभी चल रहा research है, और यह material Thirsty Hippos जैसे disposable dehumidifier bags से थोड़ा अलग संभावना दिखाती है। सही बात यह है कि (1) यह physics के नियम नहीं तोड़ती और (2) बूंदों को हटाने के लिए अभी भी ऊर्जा चाहिए। लेकिन अगर बूंदें सतह की ओर migrate करती हैं, तो उन्हें release करने के लिए लगने वाली ऊर्जा Peltier device जैसी मौजूदा active dehumidification methods की तुलना में बहुत कम हो सकती है। वैसे Thirsty Hippo छोटी जगहों में काफी प्रभावी super silica gel है
स्पष्टीकरण के लिए धन्यवाद। मैंने पहले सिर्फ article का शीर्षक पढ़ा था और सोचा कि कहीं किसी ने perpetual motion machine तो नहीं खोज ली
जिन publications में मैं शामिल रहा हूँ, वहाँ university PR material मिलने पर हम उनसे सीधे संपर्क करते थे
physics के नियमों को तोड़ना बिल्कुल असंभव है। अगर कोई नियम गलत लगता है, तो इसका मतलब है कि हमारी समझ गलत है। उसी तरह, नियमों को “धता बताना” भी असंभव है; ब्रह्मांड वही करने देता है जो वह अनुमति देता है
paper के मूल पाठ में: "All measurements were maintained at 20°±0.2°C by an air-circulation system, with film temperature controlled by a heating/cooling unit when needed." यानी latent heat cooling device में transfer होती है, और इसे साफ-साफ न बताना ऐसा लगता है मानो चीज़ को ज़्यादा dramatic दिखाना चाह रहे हों
paper का एक और उल्लेखनीय हिस्सा: "When the NP size is below 22 nm, relative humidity exceeds approximately 90%, and ϕPE is 0.05–0.35, macroscopic droplets form isothermally" "The initial droplets visible in optical microscopy (~1 μm in size) appear within a few seconds after exposure to 97% relative humidity" यानी हवा वास्तव में dew बनने से ठीक पहले तक नम है। लोग "physics violation" पर बहुत ज़्यादा ध्यान दे रहे हैं, जबकि असल में यह एक प्राकृतिक घटना में incremental improvement है
तापमान को thermostat से स्थिर रखना कोई समस्या नहीं है। अगर सतह को हवा से ठंडा (dew point से नीचे) रखा गया होता तो बात समझ आती, लेकिन paper से ऐसा नहीं लगता। वे मूलतः दावा कर रहे हैं कि unsaturated water vapor से अपने-आप macroscopic droplets बनते हैं, जो thermodynamics के second law के अनुसार संभव नहीं होना चाहिए
अब समझ में आया। इसे physics violation जैसा बताने के बजाय, वास्तव में क्या सुधरा है उस पर ध्यान देना चाहिए। मेरी समझ से यह material ऊँचे तापमान पर भी काम कर सकती है, और अगर आसपास का तापमान कम हो तो latent heat passive तरीके से dissipate हो सकती है। Active heat pump के साथ भी यह high temperature पर अधिक efficient process हो सकती है। अगर system closed हो तो कभी न कभी equilibrium आ जाएगा, लेकिन उसे पूरी तरह closed होना ज़रूरी भी नहीं है
यह research इसलिए अलग दिखती है क्योंकि existing adsorption-based technologies के विपरीत यह mechanism बदले बिना लगातार हवा से पानी खींच सकती है। शायद अगर इस material को aluminum पर coat किया जाए ताकि latent heat transfer हो सके, तो बिना अतिरिक्त ऊर्जा के लगातार सिर्फ पानी पैदा करने वाली system की कल्पना की जा सकती है। इसे छाँव में इस material से बने 'fin' cube के रूप में रखकर नीचे collection bucket रखी जा सकती है। अगर ऐसा device सच में बनाया जाए, तो यह देखना दिलचस्प होगा कि वह किन conditions में प्रति दिन कितने liters निकालता है। खासकर wet-bulb temperature जैसी खतरनाक स्थितियों में, हवा से नमी हटाने वाला बिना ऊर्जा का passive device जीवन बचाने में काम आ सकता है
यह सच है कि latent heat cooling device में transfer होने की बात dramatic effect के लिए छिपाई गई हो सकती है, लेकिन अगर इस प्रक्रिया में material आसपास की हवा से ज़्यादा गर्म हो जाती है, तो यह असामान्य होगा। आम तौर पर नमी निकालने के लिए तापमान और कम करना पड़ता है। भले ही यह maximum water extraction मापने के लिए ideal setup न हो, फिर भी इसे ambient temperature तक cool करना कहीं आसान काम है
जब तक paper में कहीं कोई बहुत महत्वपूर्ण caveat छिपा न हो, उनका दावा thermodynamics के second law से मेल नहीं खाता लगता। वे कह रहे हैं कि nanomaterial surface पर <i>isothermal</i> हालत में और <i>100% से कम relative humidity</i> पर droplets बनते हैं। thermodynamics के हिसाब से यह असंभव है। ऐसी condition में condensation सिर्फ concave surface (pores) के भीतर हो सकती है; flat surface पर convex droplets बनना संभव नहीं। paper में दिया गया यह स्पष्टीकरण कि "hydrophilic component पानी को निचोड़ सकता है" निरर्थक लगता है। अगर पानी concave pores में इकट्ठा होकर convex droplet में जाए, तो hydraulic pressure को एक साथ positive और negative दोनों होना पड़ेगा, जो असंभव है। मेरे हिसाब से इन तीन में से एक बात है: 1) contaminated surface 2) relative humidity की गलत measurement 3) आसपास से ठंडी cooling plate का ज़िक्र नहीं किया गया। paper लिंक
4 दिन पहले repost: HN comment लिंक और वे इसे ऐसे प्रचारित कर रहे हैं मानो यह thermodynamics को तोड़ता हो। वास्तव में ऐसा नहीं है, और dehumidifiers पहले से ही मौजूदा efficiency के साथ पर्याप्त पानी निकाल रहे हैं, इसलिए इसमें कोई और स्पष्ट advantage होना चाहिए। लेकिन वह क्या है, यह साफ़ नहीं दिखता
मैं इस बात से सहमत नहीं हूँ कि "dehumidifiers पहले से ऊर्जा खर्च करके भी पर्याप्त पानी निकाल लेते हैं।" वास्तव में condensate dehumidifiers की बिजली लागत air conditioner जितनी हो सकती है, वे अवांछित heat भी छोड़ते हैं, और काफी शोर भी करते हैं। Desiccant dehumidifiers तो और भी inefficient होते हैं। अगर कम ऊर्जा में और कम शोर के साथ humidity हटाने का कोई तरीका हो, तो यह वाकई बहुत बड़ा बदलाव होगा
यह सच में thermodynamics को तोड़ता हुआ नहीं लगता। लेकिन इसका मतलब यह भी नहीं कि atmosphere में मौजूद water vapor को condense करने के लिए सिद्धांत रूप से ऐसा करना ज़रूरी होगा। paper के अनुसार, "[When the hydrophilic nanoporous PINF is exposed to an environment with humidity below 100%, spontaneous macroscopic water droplets are observed forming on the surface without cooling.]" paper लिंक
यहाँ विचार यह है कि हवा को ठंडा किए बिना भी पानी निकाला जा सकता है। पहले material नमी लेती है और थोड़ी गर्म होती है, फिर यह heat passive तरीके से बाहर radiate हो जाती है। अगर पूरा system closed हो तो अंततः equilibrium आ जाएगा, लेकिन इसका closed होना ज़रूरी नहीं — यही इसकी अलग बात है
"क्या इसमें कुछ और आकर्षक नहीं होना चाहिए" इस सवाल का जवाब: Windtraps, यानी Dune के windtrap जैसी अवधारणा दिमाग में आती है
इसी तरह की duplicate comments थीं, इसलिए comments को मिलाकर संदर्भ के लिए रखा जाएगा
अगर यह तकनीक सच में practical हो जाए, तो इसके applications बहुत ज़्यादा हो सकते हैं। हर पेड़ के पास या हर crop row के साथ एक-एक लगाया जा सकता है। घर के अंदर A/C के साथ इस्तेमाल करने पर cooling efficiency और humidity control आसान हो सकता है। पहाड़ों या ऊँची इमारतों पर पानी इकट्ठा करके छोटे पैमाने की hydropower में भी इस्तेमाल हो सकता है। swimming pool का पानी भरने में भी काम आ सकता है
क्या इससे desalination का अच्छा तरीका बनाया जा सकता है? जैसे समुद्री पानी को एक closed system की हवा में तब तक evaporate किया जाए जब तक नमी saturated न हो जाए, और फिर इस material से पानी harvest किया जाए
"physics के नियम तोड़ने" जैसी भाषा इस्तेमाल करना दुर्भाग्यपूर्ण है। यह research water condensation systems में एक महत्वपूर्ण खोज है, लेकिन इसे बिना बाहरी ऊर्जा की जरूरत वाले दावे के रूप में बढ़ा-चढ़ाकर पेश करना गैर-जिम्मेदाराना है। मुझे लगता है कि इन्होंने Brownian ratchet जैसी कोई चीज़ बनाई होगी। हमेशा कहा जाता है कि इसमें बाहरी ऊर्जा की ज़रूरत नहीं, लेकिन ध्यान से देखने पर अंत में temperature difference होता ही है, और उस अंतर को बनाए रखने के लिए बाहरी ऊर्जा चाहिए। संभव है material हवा से ठंडी हो, या आने वाली नमी आसपास से गर्म हो। Material के भीतर temperature gradient भी हो सकता है, या lab की lighting सिर्फ एक तरफ़ को गर्म कर रही हो। असल में बहुत से passive devices day-night temperature difference पर निर्भर करते हैं, और वह ऊर्जा आखिरकार सूरज से ही आती है। article में कहा गया कि material की thickness बढ़ाकर temperature gradient हटाने की कोशिश की गई, लेकिन उसका कारण मुझे विश्वसनीय नहीं लगा। अगर किसी ने जानबूझकर कुछ ऊर्जा input नहीं दी, तो यह material काफ़ी efficient लगती है (बशर्ते उन्होंने वास्तव में refrigerated sample इस्तेमाल न किया हो), फिर भी यह दुखद है कि आम लोगों का ध्यान खींचने के लिए perpetual motion जैसा दावा करना पड़ता है
मैं भी समझता हूँ कि universities को कभी-कभी buzz बनाना पड़ता है, लेकिन "Passively Harvest" और "Defies Physics" जैसे शब्द scientific context में बहुत सावधानी से इस्तेमाल होने चाहिए। यह blog post है, इसलिए peer review जैसी कठोरता की उम्मीद नहीं, लेकिन अंततः इस तरह की शब्दावली science को नुकसान पहुँचाती है। यह मानना कि कोई जादुई material thermodynamics के second law को तोड़ सकती है, chemistry से ज़्यादा alchemy के करीब है
PET काफ़ी अच्छा insulating material है, और लगता है researchers यह जाँचना चाहते थे कि condensation का कारण temperature difference है या नहीं। अगर उन्होंने temperature और humidity दोनों को नियंत्रित किया था, तो इसका मतलब material खुद ज़्यादा गर्म हो रही होगी; और इस स्थिति में भी passive cooling with a radiator से समस्या सुलझ सकती है। इस paper में जिस phenomenon का वर्णन है, अगर वह वास्तव में लागू किया जा सके, तो यह काफ़ी बड़ा innovation हो सकता है और पर्याप्त रूप से विश्वसनीय भी लगता है
अगर बड़े पैमाने पर atmosphere से पानी हटाया गया, तो यह पृथ्वी के climate patterns के लिए विनाशकारी हो सकता है। अगर एक देश बहुत ज़्यादा पानी खींच ले, तो दूसरे देश में बारिश ही न हो
यह तकनीक अपने आप में काफ़ी दिलचस्प है। बड़े परिप्रेक्ष्य में देखें तो यह condensation-evaporation cycle के thermodynamic delta को बड़े climate की बजाय material properties में बदल देती है। अगर pore size को मनमाफ़िक बदला जा सके, तो storage tank में पानी के inflow/outflow balance को कभी भी नियंत्रित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए इसे smart clothing में लगाया जा सकता है — गर्मी में pores खोलकर ज़्यादा पानी छोड़ना, और ठंड में pores कम करके evaporation रोकना। काश article में सिर्फ “physics violation” वाली भाषा न होती
लोगों को यह ज़रूर पता होना चाहिए कि हवा से पानी अलग करने के लिए लगने वाली minimum energy, brine से पानी अलग करने की minimum energy से बहुत ज़्यादा होती है। इसलिए desalination हमेशा water harvesting से अधिक efficient होती है