मानव ऊर्जा का उपयोग: शारीरिक गर्मी से बिजली बनाने वाली प्रणालियों का एक वैश्विक अवलोकन

एक ऐसी दुनिया में जो स्थायी और नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों पर तेजी से ध्यान केंद्रित कर रही है, अपरंपरागत संसाधनों का उपयोग करने के लिए नवीन प्रौद्योगिकियाँ उभर रही हैं। ऐसा ही एक क्षेत्र जो आकर्षण प्राप्त कर रहा है, वह है शारीरिक गर्मी से बिजली, जिसे मानव ऊर्जा संचयन भी कहा जाता है। यह क्षेत्र मानव शरीर द्वारा लगातार उत्सर्जित होने वाली तापीय ऊर्जा को उपयोग करने योग्य विद्युत शक्ति में परिवर्तित करने की क्षमता की खोज करता है। यह लेख शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों का एक व्यापक अवलोकन प्रदान करता है, जिसमें अंतर्निहित प्रौद्योगिकी, वर्तमान अनुप्रयोगों, चुनौतियों और वैश्विक परिप्रेक्ष्य से भविष्य की संभावनाओं की जांच की गई है।

शारीरिक गर्मी से बिजली क्या है?

शारीरिक गर्मी से बिजली का तात्पर्य मानव शरीर द्वारा उत्पादित तापीय ऊर्जा को पकड़ने और उसे बिजली में बदलने की प्रक्रिया से है। औसत मानव शरीर आराम की अवस्था में लगभग 100 वाट गर्मी उत्पन्न करता है, जो मुख्य रूप से चयापचय प्रक्रियाओं के माध्यम से होती है। यह गर्मी लगातार आसपास के वातावरण में फैलती रहती है, जो एक आसानी से उपलब्ध, यद्यपि निम्न-श्रेणी का, ऊर्जा स्रोत का प्रतिनिधित्व करती है।

शारीरिक गर्मी से बिजली उत्पादन के लिए उपयोग की जाने वाली सबसे आम तकनीक थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर (TEG) है। TEG सॉलिड-स्टेट डिवाइस हैं जो सीबेक प्रभाव के आधार पर गर्मी को सीधे बिजली में परिवर्तित करते हैं। यह प्रभाव बताता है कि जब दो भिन्न विद्युत चालकों या अर्धचालकों के बीच तापमान का अंतर होता है, तो उनके बीच एक वोल्टेज का अंतर पैदा होता है। एक TEG को मानव शरीर के संपर्क में रखकर और दूसरे पक्ष को ठंडे वातावरण के संपर्क में लाकर, एक तापमान प्रवणता स्थापित की जाती है, जिससे बिजली उत्पन्न होती है।

थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर कैसे काम करते हैं

TEG में कई छोटे थर्मोकपल होते हैं जो विद्युत रूप से श्रृंखला में और तापीय रूप से समानांतर में जुड़े होते हैं। प्रत्येक थर्मोकपल दो भिन्न अर्धचालक पदार्थों से बना होता है, आमतौर पर बिस्मथ टेल्यूराइड (Bi₂Te₃) मिश्र धातु। इन सामग्रियों को उनके उच्च सीबेक गुणांक और विद्युत चालकता के साथ-साथ कम तापीय चालकता के लिए चुना जाता है, ताकि डिवाइस की दक्षता को अधिकतम किया जा सके।

जब TEG का एक पक्ष गर्म होता है (उदाहरण के लिए, मानव शरीर के संपर्क से) और दूसरा पक्ष ठंडा होता है (उदाहरण के लिए, परिवेशी वायु के संपर्क से), तो इलेक्ट्रॉन और होल (अर्धचालकों में चार्ज वाहक) गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर चले जाते हैं। चार्ज वाहकों की यह गति प्रत्येक थर्मोकपल में एक वोल्टेज अंतर पैदा करती है। कई थर्मोकपल का श्रृंखला कनेक्शन इस वोल्टेज को बढ़ाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक प्रयोग करने योग्य विद्युत आउटपुट होता है।

एक TEG की दक्षता डिवाइस के आर-पार तापमान के अंतर और अर्धचालकों के भौतिक गुणों द्वारा निर्धारित होती है। गुणवत्ता का आंकड़ा (ZT) एक आयामहीन पैरामीटर है जो थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के प्रदर्शन की विशेषता बताता है। उच्च ZT मान बेहतर थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन को इंगित करता है। यद्यपि थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री अनुसंधान में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, TEG की दक्षता अपेक्षाकृत कम बनी हुई है, आमतौर पर 5-10% की सीमा में।

शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों के अनुप्रयोग

शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों में संभावित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, विशेष रूप से पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा उपकरणों और रिमोट सेंसिंग में। यहाँ कुछ प्रमुख क्षेत्र दिए गए हैं जहाँ इस तकनीक की खोज की जा रही है:

पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स

शारीरिक गर्मी से बिजली के सबसे होनहार अनुप्रयोगों में से एक पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स को बिजली देना है। स्मार्टवॉच, फिटनेस ट्रैकर और सेंसर जैसे उपकरणों को निरंतर बिजली की आवश्यकता होती है, जो अक्सर ऐसी बैटरियों पर निर्भर करते हैं जिन्हें नियमित रूप से रिचार्ज या बदलने की आवश्यकता होती है। शारीरिक गर्मी से चलने वाले TEG इन उपकरणों के लिए एक निरंतर और टिकाऊ शक्ति स्रोत प्रदान कर सकते हैं, जिससे बैटरी या बार-बार चार्जिंग की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

उदाहरण:

• स्मार्टवॉच: शोधकर्ता TEG-एकीकृत स्मार्टवॉच विकसित कर रहे हैं जो डिवाइस को बिजली देने के लिए शरीर की गर्मी से ऊर्जा प्राप्त कर सकती हैं, जिससे इसकी बैटरी लाइफ बढ़ सकती है या बैटरी की आवश्यकता पूरी तरह से समाप्त हो सकती है।
• फिटनेस ट्रैकर्स: शारीरिक गर्मी से चलने वाले फिटनेस ट्रैकर्स लगातार चार्जिंग की आवश्यकता के बिना हृदय गति, शरीर के तापमान और गतिविधि के स्तर जैसे महत्वपूर्ण संकेतों की लगातार निगरानी कर सकते हैं।
• स्मार्ट कपड़े: सेंसर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों को बिजली देने के लिए TEG को कपड़ों में एकीकृत किया जा सकता है, जिससे निरंतर स्वास्थ्य निगरानी और व्यक्तिगत प्रतिक्रिया सक्षम होती है। Q-Symphony जैसी कंपनियाँ इन एकीकरणों की खोज कर रही हैं।

चिकित्सा उपकरण

शारीरिक गर्मी से बिजली का उपयोग चिकित्सा उपकरणों को बिजली देने के लिए भी किया जा सकता है, विशेष रूप से पेसमेकर और ग्लूकोज मॉनिटर जैसे प्रत्यारोपण योग्य उपकरण। प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों में बैटरी बदलने के लिए सर्जरी की आवश्यकता होती है, जो रोगी के लिए जोखिम पैदा करती है। शारीरिक गर्मी से चलने वाले TEG इन उपकरणों के लिए एक लंबे समय तक चलने वाला और विश्वसनीय शक्ति स्रोत प्रदान कर सकते हैं, जिससे बैटरी बदलने की आवश्यकता कम हो जाती है और रोगी के परिणाम बेहतर होते हैं।

उदाहरण:

• पेसमेकर: शोधकर्ता स्व-संचालित पेसमेकर विकसित करने पर काम कर रहे हैं जो हृदय की लय को नियंत्रित करने के लिए शरीर की गर्मी से ऊर्जा प्राप्त करते हैं।
• ग्लूकोज मॉनिटर: शारीरिक गर्मी से चलने वाले ग्लूकोज मॉनिटर बाहरी बिजली स्रोतों की आवश्यकता के बिना लगातार रक्त शर्करा के स्तर को ट्रैक कर सकते हैं।
• दवा वितरण प्रणालियाँ: TEG प्रत्यारोपण योग्य दवा वितरण प्रणालियों के माइक्रो-पंप और अन्य घटकों को शक्ति प्रदान कर सकते हैं, जिससे सटीक और नियंत्रित दवा रिलीज को सक्षम किया जा सकता है।

रिमोट सेंसिंग

शारीरिक गर्मी से बिजली का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों, जैसे कि पर्यावरण निगरानी, औद्योगिक निगरानी और सुरक्षा प्रणालियों में दूरस्थ सेंसर को बिजली देने के लिए किया जा सकता है। ये सेंसर अक्सर दूरस्थ या दुर्गम स्थानों पर काम करते हैं जहाँ बैटरी बदलना अव्यावहारिक होता है। शारीरिक गर्मी से चलने वाले TEG इन सेंसरों के लिए एक विश्वसनीय और टिकाऊ शक्ति स्रोत प्रदान कर सकते हैं, जिससे निरंतर डेटा संग्रह और निगरानी सक्षम होती है।

उदाहरण:

• पर्यावरण निगरानी: शारीरिक गर्मी से चलने वाले सेंसर को तापमान, आर्द्रता और अन्य पर्यावरणीय मापदंडों की निगरानी के लिए दूरस्थ क्षेत्रों में तैनात किया जा सकता है।
• औद्योगिक निगरानी: TEG उन सेंसरों को शक्ति प्रदान कर सकते हैं जो औद्योगिक सेटिंग्स में मशीनरी और उपकरणों की स्थिति की निगरानी करते हैं, जिससे भविष्य कहनेवाला रखरखाव सक्षम होता है और उपकरण विफलताओं को रोका जा सकता है।
• सुरक्षा प्रणालियाँ: शारीरिक गर्मी से चलने वाले सेंसर का उपयोग सुरक्षा प्रणालियों में घुसपैठियों का पता लगाने और प्रतिबंधित क्षेत्रों में गतिविधि की निगरानी के लिए किया जा सकता है।

अन्य अनुप्रयोग

उपरोक्त अनुप्रयोगों के अलावा, शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों का अन्वेषण इनके लिए भी किया जा रहा है:

• इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) डिवाइस: छोटे, कम-शक्ति वाले IoT उपकरणों को शक्ति प्रदान करना जो विभिन्न उद्योगों और अनुप्रयोगों में तेजी से सर्वव्यापी हो रहे हैं।
• आपातकालीन बिजली: आपातकालीन स्थितियों में बैकअप पावर प्रदान करना, जैसे कि प्राकृतिक आपदाएं या बिजली की कटौती।
• सैन्य अनुप्रयोग: संचार, नेविगेशन और स्थितिजन्य जागरूकता के लिए सैनिकों द्वारा पहने जाने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स और सेंसर को शक्ति प्रदान करना।

चुनौतियाँ और सीमाएँ

शारीरिक गर्मी से बिजली के संभावित लाभों के बावजूद, इस तकनीक को व्यापक रूप से अपनाने से पहले कई चुनौतियों और सीमाओं को दूर करने की आवश्यकता है:

कम दक्षता

TEG की दक्षता अपेक्षाकृत कम होती है, आमतौर पर 5-10% की सीमा में। इसका मतलब है कि तापीय ऊर्जा का केवल एक छोटा सा हिस्सा ही बिजली में परिवर्तित होता है। बिजली उत्पादन बढ़ाने और शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों को अधिक व्यावहारिक बनाने के लिए TEG की दक्षता में सुधार करना महत्वपूर्ण है।

तापमान का अंतर

TEG द्वारा उत्पन्न बिजली की मात्रा गर्म और ठंडे पक्षों के बीच तापमान के अंतर के समानुपाती होती है। एक महत्वपूर्ण तापमान अंतर बनाए रखना चुनौतीपूर्ण हो सकता है, खासकर उच्च परिवेश के तापमान वाले वातावरण में या जब डिवाइस कपड़ों से ढका हो। तापमान के अंतर और बिजली उत्पादन को अधिकतम करने के लिए प्रभावी गर्मी प्रबंधन और इन्सुलेशन आवश्यक हैं।

सामग्री लागत

TEG में उपयोग की जाने वाली सामग्री, जैसे बिस्मथ टेल्यूराइड मिश्र धातु, महंगी हो सकती है। शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों को अधिक किफायती और सुलभ बनाने के लिए इन सामग्रियों की लागत को कम करना महत्वपूर्ण है। अनुसंधान नई थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों को विकसित करने पर केंद्रित है जो अधिक प्रचुर मात्रा में और कम महंगी हैं।

डिवाइस का आकार और वजन

TEG अपेक्षाकृत भारी और भारी हो सकते हैं, जो पहनने योग्य अनुप्रयोगों के लिए एक सीमा हो सकती है। TEG को छोटा करना और उनका वजन कम करना उन्हें रोजमर्रा के उपयोग के लिए अधिक आरामदायक और व्यावहारिक बनाने के लिए महत्वपूर्ण है। छोटे और हल्के TEG बनाने के लिए नवीन माइक्रोफैब्रिकेशन तकनीकें विकसित की जा रही हैं।

संपर्क प्रतिरोध

TEG और मानव शरीर के बीच संपर्क प्रतिरोध गर्मी हस्तांतरण की दक्षता को कम कर सकता है। डिवाइस और त्वचा के बीच अच्छा तापीय संपर्क सुनिश्चित करना बिजली उत्पादन को अधिकतम करने के लिए महत्वपूर्ण है। यह थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री और अनुकूलित डिवाइस डिज़ाइन के उपयोग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।

टिकाऊपन और विश्वसनीयता

TEG को दैनिक उपयोग की कठोरता का सामना करने के लिए टिकाऊ और विश्वसनीय होने की आवश्यकता है। उन्हें यांत्रिक तनाव, तापमान में उतार-चढ़ाव और नमी और पसीने के संपर्क को सहन करने में सक्षम होना चाहिए। TEG की सुरक्षा और इसके दीर्घकालिक प्रदर्शन को सुनिश्चित करने के लिए उचित एनकैप्सुलेशन और पैकेजिंग आवश्यक है।

वैश्विक अनुसंधान और विकास प्रयास

शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों की चुनौतियों और सीमाओं को दूर करने और उनकी पूरी क्षमता को अनलॉक करने के लिए दुनिया भर में महत्वपूर्ण अनुसंधान और विकास प्रयास चल रहे हैं। ये प्रयास इन पर केंद्रित हैं:

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री में सुधार

शोधकर्ता उच्च ZT मानों के साथ नई थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री की खोज कर रहे हैं। इसमें नवीन मिश्र धातुओं, नैनोस्ट्रक्चर और समग्र सामग्रियों का विकास शामिल है। उदाहरण के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका में नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने एक लचीली थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री विकसित की है जिसे कपड़ों में एकीकृत किया जा सकता है। यूरोप में, यूरोपीय थर्मोइलेक्ट्रिक सोसाइटी (ETS) कई देशों में अनुसंधान प्रयासों का समन्वय करती है।

डिवाइस डिजाइन का अनुकूलन

शोधकर्ता गर्मी हस्तांतरण को अधिकतम करने और तापीय नुकसान को कम करने के लिए TEG के डिजाइन का अनुकूलन कर रहे हैं। इसमें उन्नत हीट सिंक, माइक्रोफ्लुइडिक कूलिंग सिस्टम और नवीन डिवाइस आर्किटेक्चर का उपयोग शामिल है। जापान में टोक्यो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक माइक्रो-TEG विकसित किया है जिसे पहनने योग्य सेंसर में एकीकृत किया जा सकता है। इसके अलावा, दक्षिण कोरिया में विभिन्न अनुसंधान दल पहनने योग्य अनुप्रयोगों के लिए लचीले TEG डिजाइनों पर काम कर रहे हैं।

नए अनुप्रयोगों का विकास

शोधकर्ता स्वास्थ्य सेवा, पर्यावरण निगरानी और औद्योगिक स्वचालन जैसे विभिन्न क्षेत्रों में शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों के लिए नए अनुप्रयोगों की खोज कर रहे हैं। इसमें स्व-संचालित चिकित्सा उपकरणों, वायरलेस सेंसर और IoT उपकरणों का विकास शामिल है। उदाहरणों में होराइजन 2020 कार्यक्रम के तहत यूरोपीय आयोग द्वारा वित्त पोषित परियोजनाएं शामिल हैं, जो स्वास्थ्य सेवा में पहनने योग्य उपकरणों के लिए ऊर्जा संचयन पर ध्यान केंद्रित करती हैं।

लागत कम करना

शोधकर्ता अधिक प्रचुर और कम खर्चीली सामग्रियों का उपयोग करके और अधिक कुशल निर्माण प्रक्रियाओं को विकसित करके TEG की लागत को कम करने पर काम कर रहे हैं। इसमें जटिल ज्यामिति और अनुकूलित प्रदर्शन के साथ TEG बनाने के लिए 3D प्रिंटिंग जैसी एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीकों का उपयोग शामिल है। चीन में, सरकार आयातित सामग्रियों पर निर्भरता कम करने के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री अनुसंधान में भारी निवेश कर रही है।

भविष्य की संभावनाएं

शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों का भविष्य विकास और नवाचार की महत्वपूर्ण क्षमता के साथ आशाजनक दिखता है। जैसे-जैसे थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री और डिवाइस प्रौद्योगिकियों में सुधार जारी है, उम्मीद है कि शारीरिक गर्मी से बिजली पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा उपकरणों और अन्य अनुप्रयोगों को शक्ति प्रदान करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगी। इलेक्ट्रॉनिक्स के घटते आकार और लागत के साथ-साथ स्व-संचालित उपकरणों की बढ़ती मांग शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियों को अपनाने को और बढ़ावा देगी।

ध्यान देने योग्य प्रमुख रुझान:

• उन्नत थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री: बेहतर ZT मानों और कम लागत के साथ उच्च-प्रदर्शन वाली थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का निरंतर विकास।
• लचीले और खिंचाव योग्य TEG: ऐसे TEG का विकास जो मानव शरीर के आकार के अनुरूप हो सकते हैं और यांत्रिक तनाव का सामना कर सकते हैं।
• पहनने योग्य उपकरणों के साथ एकीकरण: कपड़ों, एक्सेसरीज़ और अन्य पहनने योग्य उपकरणों में TEG का सहज एकीकरण।
• स्व-संचालित चिकित्सा उपकरण: प्रत्यारोपण योग्य और पहनने योग्य चिकित्सा उपकरणों का विकास जो शरीर की गर्मी से संचालित होते हैं, जिससे बैटरी बदलने की आवश्यकता कम हो जाती है।
• IoT अनुप्रयोग: IoT अनुप्रयोगों में शारीरिक गर्मी से चलने वाले सेंसर और उपकरणों की व्यापक तैनाती।

निष्कर्ष

शारीरिक गर्मी से बिजली प्रणालियाँ मानव शरीर द्वारा उत्पादित तापीय ऊर्जा का उपयोग करने और इसे प्रयोग करने योग्य बिजली में बदलने के लिए एक आशाजनक तकनीक का प्रतिनिधित्व करती हैं। यद्यपि महत्वपूर्ण चुनौतियाँ बनी हुई हैं, चल रहे अनुसंधान और विकास प्रयास विभिन्न अनुप्रयोगों में इस तकनीक को व्यापक रूप से अपनाने का मार्ग प्रशस्त कर रहे हैं। जैसे-जैसे थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री और डिवाइस प्रौद्योगिकियों में सुधार जारी है, शारीरिक गर्मी से बिजली में टिकाऊ ऊर्जा और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की क्षमता है, जिसके वैश्विक निहितार्थ हैं कि हम अपने उपकरणों को कैसे शक्ति देते हैं और अपने स्वास्थ्य की निगरानी करते हैं।