05 December Thursday

കൈപ്പിടിയിലൊതുങ്ങുന്ന ഡിജിറ്റല്‍ ലോകം

ഡോ.സംഗീത ചേനംപുല്ലിUpdated: Thursday Nov 14, 2019


വീണ്ടുംവീണ്ടും റീചാര്‍ജ് ചെയ്ത് ഉപയോഗിക്കാവുന്ന ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുടേയും ഗാഡ്ജെറ്റുകളുടെയും യുഗമാണിത്. റീചാര്‍ജ് ചെയ്യാവുന്ന ബാറ്ററികളും ഇന്ധനസെല്ലുകളും ഉപയോഗിച്ച് വാഹനങ്ങളും വൈദ്യുതിയുടെ സാധ്യതകളിലേക്ക് കുതിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. ലിഥിയം അയോണ്‍ ബാറ്ററിയുടെ കണ്ടെത്തലാണ് ചുറ്റിപ്പിണയുന്ന വയാറുകളില്‍ നിന്നും പ്ലഗ് പോയന്റുകളില്‍ നിന്നും ഫോണുകളെയും മറ്റുപകരണങ്ങളെയും സ്വതന്ത്രമാക്കിയത്. നൊബേല്‍

മൊബൈല്‍ ഫോണിലും ലാപ്ടോപ്പിലും കാമറകളിലും മുതല്‍ ഇലക്‌ട്രിക് കാറുകളിലും  വിമാനങ്ങളിലും  ബഹിരാകാശപര്യവേഷണ ദൗത്യങ്ങളിലും വരെ ഉപയോഗിക്കുന്ന ലിഥിയം അയോണ്‍ ബാറ്ററി കണ്ടെത്തിയ മൂന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞരാണ് 2019 ലെ രസതന്ത്ര നൊബേല്‍ പുരസ്കാരത്തിന് അര്‍ഹരായത്. ടെക്സാസ് യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെ മെക്കാനിക്കല്‍ എഞ്ചിനീയറിംഗ് പ്രൊഫസറായ ജോണ്‍  ബി  ഗുഡ്ഇനഫ്‌, ബെര്‍മിംഗ്ഹാം യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെ രസതന്ത്രവിഭാഗം പ്രൊഫസറായ എം  സ്റ്റാൻലി വിറ്റിങ്ഹാം, ജപ്പാനിലെ മേജോ യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെ രസതന്ത്രവിഭാഗം പ്രൊഫസറായ അകിരാ യോഷിനോ എന്നിവര്‍ക്കാണ്‌ നോബല്‍ തുല്യമായി പങ്കിട്ടത്. അതോടൊപ്പം പുതുക്കാവുന്ന ഊര്‍ജ്ജസ്രോതസ്സുകളായ സൗരോര്‍ജ്ജം, കാറ്റില്‍ നിന്നുള്ള ഊര്‍ജ്ജം തുടങ്ങിയവ ലഭ്യമല്ലാത്ത സമയത്തേക്ക്  സംഭരിച്ചുവെക്കാനും ഇവ സഹായിക്കുന്നു.

എന്താണ് ലിഥിയം ബാറ്ററികളില്‍ സംഭവിക്കുന്നത്
പലവട്ടം റീചാര്‍ജ് ചെയ്യാവുന്ന ബാറ്ററിയാണ് ലിഥിയം അയോണ്‍ ബാറ്ററി. ലിഥിയം അയോണ്‍ ബാറ്ററികളില്‍ ലിഥിയം കൊബാള്‍ട്ട് ഓക്സൈഡ്, ഗ്രാഫൈറ്റ് /കോക്ക് എന്നിവ ഇലക്ട്രോഡുകളായും ലിഥിയം സംയുക്തങ്ങളുടെ ലായനികള്‍ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ആയും ഉപയോഗിക്കുന്നു. ലിഥിയം ജലവുമായി സമ്പര്‍ക്കത്തില്‍ വരുമ്പോള്‍ തീപിടിക്കുന്നതിനാല്‍ ജലീയ ലായനികള്‍ക്ക് പകരം ഓര്‍ഗാനിക് ലായകങ്ങളോ ഖരരൂപത്തിലുള്ള ഇലക്ട്രോലൈറ്റുകളോ ഉപയോഗിക്കുന്നു.  അചാലക വസ്തു ഉപയോഗിച്ചാണ്‌ ആനോഡ്, കാതോഡ് ഭാഗങ്ങളെ വേര്‍തിരിക്കുന്നത്. ഷോര്‍ട്ട് സര്‍ക്യൂട്ട് ഒഴിവാക്കാനാണിത്. രണ്ട് ഇലക്ട്രോഡുകള്‍ ക്കിടയിലെ ലിഥിയം അയോണുകളുടെ കൈമാറ്റമാണ് വൈദ്യുതി ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നത്. ചാര്‍ജ് ചെയ്യുമ്പോള്‍ ലിഥിയം കൊബാള്‍ട്ട് ഓക്സൈഡില്‍ നിന്നും ലിഥിയം അയോണുകള്‍ സ്വതന്ത്രമായി ഇലക്ട്രോലൈറ്റിലൂടെ ഗ്രാഫൈറ്റ് ഇലക്ട്രോഡിലെത്തുന്നു. ഇവ ഗ്രാഫൈറ്റ് ഘടനക്കുള്ളില്‍  ഉള്ളടക്കം ചെയ്യപ്പെടുകയും ഡിസ്ചാര്‍ജ് ചെയ്യുന്ന സമയത്ത് ലിഥിയം കൊബാള്‍ട്ട് ഓക്സൈഡ് ഇലക്ട്രോഡിലേക്ക് തിരിച്ച് പോവുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇതിനിടെ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളാണ് വൈദ്യുതോര്‍ജ്ജം ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നത്.




കണ്ടെത്തലിന്റെ ചരിത്രം
ഫോസില്‍ ഇന്ധനങ്ങള്‍ക്ക് പകരക്കാരെ കണ്ടെത്താനുള്ള അന്വേഷണങ്ങള്‍ക്കിടെയാണ് ലിഥിയം ബാറ്ററികളുടെ പിറവിയുണ്ടാകുന്നത്. 1970 കളില്‍ രണ്ട് വട്ടം പെട്രോളിയം മേഖലയില്‍ പ്രതിസന്ധിയുണ്ടാവുകയും ഇത് വലിയ ഊര്‍ജ്ജഭീതിയിലേക്കും സാമ്പത്തികമായ പ്രത്യാഘാതങ്ങളിലേക്കും ലോകത്തെ നയിക്കുകയും ചെയ്തു. ഇതോടെ പെട്രോളിയത്തിന് പകരം വെക്കാവുന്ന ഊര്‍ജ്ജസ്രോതസ്സുകള്‍ക്കായുള്ള അന്വേഷണങ്ങള്‍ വ്യാപകമായി. അക്കാലത്ത് ലെഡ് ആസിഡ് ബാറ്ററികളും  നിക്കല്‍-കാഡ്മിയം ബാറ്ററികളും മാത്രമേ ലോകത്തിന് പരിചയമുണ്ടായിരുന്നുള്ളൂ.  ഖരരൂപത്തിലുള്ള ഘടനക്കുള്ളില്‍ അയോണുകളെ സംഭരിച്ച് വെക്കാവുന്ന വസ്തുക്കളിലായിരുന്നു സ്റ്റാൻലി വിറ്റിങ്ഹാമിന്റെ ഗവേഷണം. അയോണുകളുടെ സാന്നിധ്യത്തില്‍ ഇവയുടെ സ്വഭാവത്തില്‍ വ്യത്യാസമുണ്ടാകുന്നു. അതിചാലകത കാണിക്കുന്ന വസ്തുക്കളെ സംബന്ധിച്ചുള്ള ഗവേഷണത്തിനിടെ കുറഞ്ഞ വ്യാപ്തത്തില്‍ കൂടുതല്‍ ഊര്‍ജ്ജം സംഭരിച്ചുവെക്കാന്‍ കഴിയുന്ന ഒരു സംവിധാനം സ്റ്റാൻലി വിറ്റിങ്ഹാം കണ്ടെത്തി. ടൈറ്റാനിയം ഡൈസള്‍ഫൈഡ് കൊണ്ടുള്ള  കാതോഡും ലിഥിയം കൊണ്ടുള്ള ആനോഡുമായിരുന്നു  ഈ ബാറ്ററിയില്‍ ഉപയോഗിച്ചത്. ഏതാണ്ട് രണ്ട് വോള്‍ട്ടായിരുന്നു അതിന്റെ സംഭരണ ശേഷി.

ഇലക്ട്രോണുകളെ വിട്ടുകൊടുക്കാന്‍ താല്പര്യമുള്ള മൂലകങ്ങളെ ആനോഡ് ആയി ഉപയോഗിക്കാനാവൂ. ആവര്‍ത്തനപ്പട്ടികയിലെ ഒന്നാം ഗ്രൂപ്പില്‍ ഉള്‍പ്പെട്ട ലിഥിയം ഇലക്ട്രോണുകളെ വിട്ടുകൊടുക്കാന്‍ ഏറെ താല്പര്യമുള്ളതും രാസപ്രവര്‍ത്തനശേഷി വളരെ കൂടിയതുമായ മൂലകമാണ്.  താരതമ്യേന വലിപ്പം കുറഞ്ഞ ലിഥിയം അയോണുകളെ ടൈറ്റാനിയം ഡൈസള്‍ഫൈഡിന്റെ പാളികള്‍ക്കിടയില്‍ കുടുക്കിനിര്‍ത്താന്‍ കഴിയും. കാതോഡിനും ആനോഡിനും ഇടയ്‌ക്കുള്ള ലിഥിയം അയോണുകളുടെയും ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും സഞ്ചാരമാണ് ബാറ്ററിയുടെ പ്രവര്‍ത്തനത്തിന് കാരണം. എന്നാല്‍ രാസപ്രവര്‍ത്തന ശേഷി കൂടിയ ലിഥിയം ലോഹം അതേപടി ബാറ്ററികളില്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നത് പോക്കറ്റില്‍  ബോംബ്‌ കൊണ്ടുനടക്കും പോലെയാണ്. എളുപ്പത്തില്‍ തീപ്പിടിത്തത്തിനും പൊട്ടിത്തെറിക്കും കാരണമാകുന്നതിനാല്‍ അത് ഒട്ടും സുരക്ഷിതമല്ല. ആദ്യഘട്ടത്തില്‍ പൊട്ടിത്തെറികളും തീപ്പിടിത്തങ്ങളും ബാറ്ററിയുടെ വ്യാവസായിക ഉത്‌പാദനത്തിന് തടസമായി. മാത്രമല്ല എണ്ണവിലകുറഞ്ഞതോടെ ഫണ്ട് നല്‍കിയ കമ്പനിക്ക് പദ്ധതിയിലുള്ള താല്‍പര്യവും നഷ്ടപ്പെട്ടു.

ഇന്നത്തെ രൂപത്തിലേക്ക്‌
ലോഹസള്‍ഫൈഡുകള്‍ക്ക് പകരം ലോഹഓക്സൈഡുകള്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നത് ലിഥിയം ബാറ്ററികളുടെ സംഭരണശേഷി കൂട്ടുമെന്ന് ജോണ്‍ ഗുഡ്ഇനഫ്‌ കണ്ടെത്തി. 1980 കളില്‍ ടൈറ്റാനിയം ഡൈസള്‍ഫൈഡിന് പകരം കൊബാള്‍ട്ട് ഓക്സൈഡിന്റെ ഖരപാളികള്‍ക്കിടെ ലിഥിയം അയോണുകള്‍ തടഞ്ഞുനിര്‍ത്തുന്ന തരത്തിലുള്ള ബാറ്ററി അദ്ദേഹം വികസിപ്പിച്ചു. നാല് വോള്‍ട്ട് വരെ സംഭവിക്കാവുന്ന ശക്തമായ ബാറ്ററികള്‍ ഇതോടെ നിര്‍മ്മിക്കാന്‍ കഴിഞ്ഞു. മാത്രമല്ല ചാര്‍ജ്ജ് ചെയ്ത നിലയില്‍ ബാറ്ററി ഉത്പാദിപ്പിക്കുക എന്ന പതിവിന് വിരുദ്ധമായി പിന്നീട് ചാര്‍ജ്ജ് ചെയ്ത് ഉപയോഗിക്കവുന്നതായിരുന്നു  അദ്ദേഹത്തിന്റെബാറ്ററി. എന്നാല്‍ ലിഥിയം ലോഹം ഉപയോഗിക്കുന്നത് അപ്പോഴും സുരക്ഷാഭീഷണിയായി തുടര്‍ന്നു. 1985 ല്‍ അകിര യോഷിനോയാണ് ഈ പ്രശ്നത്തിന് പരിഹാരം കണ്ടത്. ലിഥിയം ലോഹത്തിനു പകരം സുരക്ഷിതമായ കോക്ക് എന്ന കാര്‍ബണ്‍ രൂപാന്തരം ആനോഡ് ആയി ഉപയോഗിക്കാമെന്ന് അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തി. കൊബാള്‍ട്ട് ഓക്സൈഡിനെപ്പോലെ ലിഥിയം അയോണുകളെ സ്വന്തം ഖര ലാറ്റിസിനുള്ളില്‍ തടഞ്ഞുനിര്‍ത്താന്‍ കോക്കിനും കഴിയും. ഇങ്ങനെ യോഷിനോ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തതാണ് വ്യാവസായികാടിസ്ഥാനത്തില്‍ പുറത്തിറങ്ങിയ ആദ്യത്തെ ലിഥിയം അയോണ്‍ ബാറ്ററി. സ്ഥിരതയുള്ളതും  ഭാരം കുറഞ്ഞതും ദീര്‍ഘകാലം നിലനില്‍ക്കുന്നതുമായ ബാറ്ററി അങ്ങനെ വിപണിയിലെത്തി. 

ഏറ്റവും ഊര്‍ജ്ജിതമായി ഗവേഷണം നടക്കുന്ന മേഖലയാണ് ബാറ്ററികളുടെ സാങ്കേതിക വിദ്യ. അതുവരെയുണ്ടായിരുന്ന  ഇലക്ട്രിക്കല്‍ ഉപകരണങ്ങളുടെ സ്വഭാവത്തെ അപ്പാടെ മാറ്റിമറിക്കാന്‍ ലിഥിയം അയോണ്‍ ബാറ്ററികള്‍ക്ക് കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. ഉപയോഗിച്ച ശേഷം വലിച്ചെറിയുന്ന ഒരു വോള്‍ട്ടിനടുത്ത് മാത്രം ശേഷിയുള്ള ബാറ്ററികളെ പുറം തള്ളിയാണ് കൂടുതല്‍ ഊര്‍ജ്ജം സംഭരിക്കാവുന്ന, ഒരേ ബാറ്ററി തന്നെ വീണ്ടും വീണ്ടും ഉപയോഗിക്കാവുന്ന, ഘനലോഹങ്ങളുടെ മലിനീകരണ ഭീഷണിയില്ലാത്ത  ലിഥിയം അയോണ്‍ ബാറ്ററികള്‍ രംഗം പിടിച്ചടക്കിയത്. ഇവയില്ലായിരുന്നെങ്കില്‍ ഒരുപക്ഷേ മൊബൈല്‍ഫോണുകള്‍ പോലും സാധ്യമാകുമായിരുന്നില്ല. അതുകൊണ്ടുതന്നെയാണ് ഈ കണ്ടെത്തല്‍  നോബല്‍ പുരസ്‌കാരം കൊണ്ട് ബഹുമാനിക്കപ്പെടുന്നത്.


പ്രധാന വാർത്തകൾ
 Top