मानवी ऊर्जेचा वापर: शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींचे जागतिक अवलोकन

ज्या जगात शाश्वत आणि नवीकरणीय ऊर्जा स्त्रोतांवर अधिकाधिक लक्ष केंद्रित केले जात आहे, तिथे अपारंपरिक संसाधनांचा वापर करण्यासाठी नवनवीन तंत्रज्ञान उदयास येत आहे. असेच एक क्षेत्र जे लक्ष वेधून घेत आहे ते म्हणजे शारीरिक उष्णता ऊर्जा, ज्याला मानवी ऊर्जा संचयन असेही म्हणतात. हे क्षेत्र मानवी शरीरातून सतत उत्सर्जित होणाऱ्या औष्णिक ऊर्जेला वापरण्यायोग्य विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित करण्याच्या क्षमतेचा शोध घेते. हा लेख शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींचे विस्तृत अवलोकन करतो, ज्यात मूळ तंत्रज्ञान, सध्याचे उपयोग, आव्हाने आणि जागतिक दृष्टिकोनातून भविष्यातील शक्यता तपासल्या आहेत.

शारीरिक उष्णता ऊर्जा म्हणजे काय?

शारीरिक उष्णता ऊर्जा म्हणजे मानवी शरीराद्वारे निर्माण होणारी औष्णिक ऊर्जा पकडून तिचे विजेमध्ये रूपांतर करण्याची प्रक्रिया. सरासरी मानवी शरीर विश्रांतीच्या अवस्थेत सुमारे 100 वॅट इतकी लक्षणीय उष्णता निर्माण करते, जी प्रामुख्याने चयापचय क्रियेतून तयार होते. ही उष्णता सतत सभोवतालच्या वातावरणात विखुरली जाते, जी एक सहज उपलब्ध, जरी कमी-दर्जाचा, ऊर्जा स्त्रोत दर्शवते.

शारीरिक उष्णता ऊर्जेच्या निर्मितीसाठी वापरले जाणारे सर्वात सामान्य तंत्रज्ञान म्हणजे थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (TEG). TEGs ही घन-स्थिती (solid-state) उपकरणे आहेत जी सीबेक परिणामावर (Seebeck effect) आधारित उष्णतेचे थेट विजेमध्ये रूपांतर करतात. या परिणामानुसार, जेव्हा दोन भिन्न विद्युत वाहक किंवा अर्धवाहकांमध्ये तापमानाचा फरक असतो, तेव्हा त्यांच्यामध्ये व्होल्टेजचा फरक निर्माण होतो. मानवी शरीराच्या संपर्कात TEG ठेवून आणि दुसरी बाजू थंड वातावरणात उघडी ठेवून, तापमानाचा उतार (temperature gradient) स्थापित होतो, ज्यामुळे वीज निर्माण होते.

थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर कसे काम करतात

TEGs मध्ये अनेक लहान थर्मोकपल्स असतात जे विद्युतदृष्ट्या मालिकेत (series) आणि औष्णिकदृष्ट्या समांतर (parallel) जोडलेले असतात. प्रत्येक थर्मोकपल दोन भिन्न अर्धवाहक (semiconductor) पदार्थांपासून बनलेले असते, सामान्यतः बिस्मथ टेल्युराइड (Bi₂Te₃) मिश्रधातू. हे पदार्थ त्यांच्या उच्च सीबेक गुणांक (Seebeck coefficient) आणि विद्युत वाहकतेसाठी, तसेच कमी औष्णिक वाहकतेसाठी निवडले जातात, जेणेकरून उपकरणाची कार्यक्षमता वाढवता येईल.

जेव्हा TEG ची एक बाजू गरम केली जाते (उदा. मानवी शरीराच्या संपर्काने) आणि दुसरी बाजू थंड केली जाते (उदा. सभोवतालच्या हवेच्या संपर्कात), तेव्हा इलेक्ट्रॉन आणि होल्स (अर्धवाहकांमधील चार्ज वाहक) गरम बाजूकडून थंड बाजूस स्थलांतरित होतात. चार्ज वाहकांच्या या हालचालीमुळे प्रत्येक थर्मोकपलमध्ये व्होल्टेजचा फरक निर्माण होतो. अनेक थर्मोकपल्सच्या मालिका जोडणीमुळे हे व्होल्टेज वाढते, ज्यामुळे वापरण्यायोग्य विद्युत आउटपुट मिळतो.

TEG ची कार्यक्षमता उपकरणातील तापमानाचा फरक आणि अर्धवाहकांच्या भौतिक गुणधर्मांवरून ठरते. फिगर ऑफ मेरिट (ZT) हे एक परिमाणहीन पॅरामीटर आहे जे थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थाच्या कामगिरीचे वैशिष्ट्य दर्शवते. उच्च ZT मूल्य चांगले थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन दर्शवते. थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्याच्या संशोधनात लक्षणीय प्रगती झाली असली तरी, TEGs ची कार्यक्षमता तुलनेने कमी आहे, सामान्यतः 5-10% च्या श्रेणीत.

शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींचे उपयोग

शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींचे अनेक संभाव्य उपयोग आहेत, विशेषतः परिधान करण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक्स (wearable electronics), वैद्यकीय उपकरणे आणि दूरस्थ संवेदन (remote sensing) मध्ये. येथे काही प्रमुख क्षेत्रे आहेत जिथे या तंत्रज्ञानाचा शोध घेतला जात आहे:

परिधान करण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक्स (Wearable Electronics)

शारीरिक उष्णता ऊर्जेचा सर्वात आश्वासक उपयोग म्हणजे परिधान करण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक्सला ऊर्जा देणे. स्मार्टवॉच, फिटनेस ट्रॅकर्स आणि सेन्सर्स सारख्या उपकरणांना सतत उर्जेची आवश्यकता असते, जी अनेकदा बॅटरीवर अवलंबून असते ज्यांना नियमितपणे रिचार्ज किंवा बदलावे लागते. शारीरिक उष्णतेवर चालणारे TEGs या उपकरणांसाठी एक सतत आणि शाश्वत ऊर्जा स्त्रोत प्रदान करू शकतात, ज्यामुळे बॅटरीची किंवा वारंवार चार्जिंगची गरज नाहीशी होते.

उदाहरणे:

स्मार्टवॉचेस: संशोधक TEG-एकात्मिक स्मार्टवॉच विकसित करत आहेत जे शरीरातील उष्णतेतून ऊर्जा मिळवून उपकरणाला पॉवर देऊ शकतात, ज्यामुळे बॅटरीचे आयुष्य वाढते किंवा बॅटरीची गरज पूर्णपणे नाहीशी होते.
फिटनेस ट्रॅकर्स: शारीरिक उष्णतेवर चालणारे फिटनेस ट्रॅकर्स वारंवार चार्जिंगची आवश्यकता न ठेवता हृदयाचे ठोके, शरीराचे तापमान आणि हालचालीची पातळी यासारख्या महत्त्वाच्या लक्षणांवर सतत लक्ष ठेवू शकतात.
स्मार्ट कपडे: TEGs कपड्यांमध्ये सेन्सर्स आणि इतर इलेक्ट्रॉनिक घटकांना ऊर्जा देण्यासाठी समाविष्ट केले जाऊ शकतात, ज्यामुळे सतत आरोग्य निरीक्षण आणि वैयक्तिकृत अभिप्राय शक्य होतो. क्यू-सिम्फनी (Q-Symphony) सारख्या कंपन्या या एकीकरणाचा शोध घेत आहेत.

वैद्यकीय उपकरणे

शारीरिक उष्णता ऊर्जेचा वापर वैद्यकीय उपकरणांना, विशेषतः पेसमेकर आणि ग्लुकोज मॉनिटर सारख्या प्रत्यारोपण करण्यायोग्य उपकरणांना (implantable devices) ऊर्जा देण्यासाठी देखील केला जाऊ शकतो. प्रत्यारोपण करण्यायोग्य उपकरणांमध्ये बॅटरी बदलण्यासाठी शस्त्रक्रिया करावी लागते, ज्यामुळे रुग्णाला धोका निर्माण होतो. शारीरिक उष्णतेवर चालणारे TEGs या उपकरणांसाठी दीर्घकाळ टिकणारा आणि विश्वासार्ह ऊर्जा स्त्रोत प्रदान करू शकतात, ज्यामुळे बॅटरी बदलण्याची गरज कमी होते आणि रुग्णाचे आरोग्य सुधारते.

उदाहरणे:

पेसमेकर: संशोधक स्व-उर्जित पेसमेकर विकसित करण्यावर काम करत आहेत जे हृदयाची लय नियंत्रित करण्यासाठी शरीराच्या उष्णतेतून ऊर्जा मिळवतात.
ग्लुकोज मॉनिटर्स: शारीरिक उष्णतेवर चालणारे ग्लुकोज मॉनिटर्स बाह्य ऊर्जा स्त्रोतांशिवाय रक्तातील साखरेच्या पातळीवर सतत लक्ष ठेवू शकतात.
औषध वितरण प्रणाली (Drug Delivery Systems): TEGs प्रत्यारोपण करण्यायोग्य औषध वितरण प्रणालींच्या मायक्रो-पंप आणि इतर घटकांना ऊर्जा देऊ शकतात, ज्यामुळे अचूक आणि नियंत्रित औषध वितरण शक्य होते.

दूरस्थ संवेदन (Remote Sensing)

पर्यावरणीय निरीक्षण, औद्योगिक निरीक्षण आणि सुरक्षा प्रणाली यांसारख्या विविध अनुप्रयोगांमध्ये दूरस्थ सेन्सर्सना ऊर्जा देण्यासाठी शारीरिक उष्णता ऊर्जेचा वापर केला जाऊ शकतो. हे सेन्सर्स अनेकदा दुर्गम किंवा पोहोचण्यास कठीण ठिकाणी काम करतात जिथे बॅटरी बदलणे अव्यवहार्य असते. शारीरिक उष्णतेवर चालणारे TEGs या सेन्सर्ससाठी एक विश्वासार्ह आणि शाश्वत ऊर्जा स्त्रोत प्रदान करू शकतात, ज्यामुळे सतत डेटा संकलन आणि निरीक्षण शक्य होते.

उदाहरणे:

पर्यावरणीय निरीक्षण: तापमान, आर्द्रता आणि इतर पर्यावरणीय मापदंडांवर लक्ष ठेवण्यासाठी शारीरिक उष्णतेवर चालणारे सेन्सर्स दुर्गम भागात तैनात केले जाऊ शकतात.
औद्योगिक निरीक्षण: TEGs औद्योगिक वातावरणात यंत्रसामग्री आणि उपकरणांच्या स्थितीचे निरीक्षण करणाऱ्या सेन्सर्सना ऊर्जा देऊ शकतात, ज्यामुळे भविष्यातील देखभालीचे नियोजन करता येते आणि उपकरणांचे अपयश टाळता येते.
सुरक्षा प्रणाली: घुसखोरांना शोधण्यासाठी आणि प्रतिबंधित भागात हालचालींवर लक्ष ठेवण्यासाठी सुरक्षा प्रणालींमध्ये शारीरिक उष्णतेवर चालणारे सेन्सर्स वापरले जाऊ शकतात.

इतर उपयोग

वर नमूद केलेल्या उपयोगांव्यतिरिक्त, शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींचा शोध खालील गोष्टींसाठी देखील घेतला जात आहे:

इंटरनेट ऑफ थिंग्ज (IoT) उपकरणे: विविध उद्योग आणि अनुप्रयोगांमध्ये वाढत्या प्रमाणात वापरल्या जाणाऱ्या लहान, कमी-शक्तीच्या IoT उपकरणांना ऊर्जा देणे.
आपत्कालीन ऊर्जा: नैसर्गिक आपत्त्या किंवा वीज खंडित होण्यासारख्या आपत्कालीन परिस्थितीत बॅकअप ऊर्जा प्रदान करणे.
सैनिकी उपयोग: संवाद, दिशादर्शन आणि परिस्थितीजन्य जागृतीसाठी सैनिकांनी परिधान केलेल्या इलेक्ट्रॉनिक्स आणि सेन्सर्सना ऊर्जा देणे.

आव्हाने आणि मर्यादा

शारीरिक उष्णता ऊर्जेच्या संभाव्य फायद्यांनंतरही, हे तंत्रज्ञान मोठ्या प्रमाणावर स्वीकारण्यापूर्वी अनेक आव्हाने आणि मर्यादा दूर करणे आवश्यक आहे:

कमी कार्यक्षमता

TEGs ची कार्यक्षमता तुलनेने कमी आहे, सामान्यतः 5-10% च्या श्रेणीत. याचा अर्थ असा की उष्णता ऊर्जेचा फक्त एक छोटासा अंश विजेमध्ये रूपांतरित होतो. TEGs ची कार्यक्षमता सुधारणे हे पॉवर आउटपुट वाढवण्यासाठी आणि शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणाली अधिक व्यावहारिक बनवण्यासाठी महत्त्वाचे आहे.

तापमानातील फरक

TEG द्वारे निर्माण होणारी शक्ती गरम आणि थंड बाजूंमधील तापमानाच्या फरकाच्या प्रमाणात असते. तापमानात लक्षणीय फरक राखणे आव्हानात्मक असू शकते, विशेषतः उच्च सभोवतालच्या तापमानाच्या वातावरणात किंवा जेव्हा उपकरण कपड्यांनी झाकलेले असते. तापमानातील फरक आणि पॉवर आउटपुट वाढवण्यासाठी प्रभावी उष्णता व्यवस्थापन आणि इन्सुलेशन आवश्यक आहे.

साहित्याचा खर्च

TEGs मध्ये वापरले जाणारे साहित्य, जसे की बिस्मथ टेल्युराइड मिश्रधातू, महाग असू शकतात. या साहित्याचा खर्च कमी करणे हे शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणाली अधिक परवडणारी आणि सुलभ बनवण्यासाठी महत्त्वाचे आहे. अधिक मुबलक आणि कमी खर्चाचे नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्य विकसित करण्यावर संशोधन केंद्रित आहे.

उपकरणाचा आकार आणि वजन

TEGs तुलनेने अवजड आणि वजनदार असू शकतात, जी परिधान करण्यायोग्य उपकरणांसाठी एक मर्यादा असू शकते. TEGs लहान करणे आणि त्यांचे वजन कमी करणे हे त्यांना अधिक आरामदायक आणि दैनंदिन वापरासाठी व्यावहारिक बनवण्यासाठी महत्त्वाचे आहे. लहान आणि हलके TEGs तयार करण्यासाठी नवीन मायक्रोफॅब्रिकेशन तंत्र विकसित केले जात आहे.

संपर्क प्रतिरोध (Contact Resistance)

TEG आणि मानवी शरीर यांच्यातील संपर्क प्रतिरोध उष्णता हस्तांतरणाची कार्यक्षमता कमी करू शकतो. उपकरण आणि त्वचा यांच्यात चांगला औष्णिक संपर्क सुनिश्चित करणे पॉवर आउटपुट वाढवण्यासाठी महत्त्वाचे आहे. हे थर्मल इंटरफेस मटेरियल आणि ऑप्टिमाइझ्ड डिव्हाइस डिझाइनच्या वापराद्वारे साध्य केले जाऊ शकते.

टिकाऊपणा आणि विश्वसनीयता

TEGs ला दैनंदिन वापराच्या कठोरतेला तोंड देण्यासाठी टिकाऊ आणि विश्वासार्ह असणे आवश्यक आहे. ते यांत्रिक ताण, तापमानातील चढ-उतार आणि ओलावा व घामाचा सामना करण्यास सक्षम असले पाहिजेत. TEG चे संरक्षण करण्यासाठी आणि त्याची दीर्घकालीन कामगिरी सुनिश्चित करण्यासाठी योग्य एन्कॅप्सुलेशन आणि पॅकेजिंग आवश्यक आहे.

जागतिक संशोधन आणि विकास प्रयत्न

शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींची आव्हाने आणि मर्यादांवर मात करण्यासाठी आणि त्यांची पूर्ण क्षमता अनलॉक करण्यासाठी जगभरात महत्त्वपूर्ण संशोधन आणि विकास प्रयत्न सुरू आहेत. हे प्रयत्न खालील गोष्टींवर केंद्रित आहेत:

थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्यात सुधारणा

संशोधक उच्च ZT मूल्यांसह नवीन थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्याचा शोध घेत आहेत. यामध्ये नवीन मिश्रधातू, नॅनोस्ट्रक्चर्स आणि संमिश्र सामग्रीचा विकास समाविष्ट आहे. उदाहरणार्थ, युनायटेड स्टेट्समधील नॉर्थवेस्टर्न विद्यापीठातील शास्त्रज्ञांनी एक लवचिक थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्य विकसित केले आहे जे कपड्यांमध्ये समाविष्ट केले जाऊ शकते. युरोपमध्ये, युरोपियन थर्मोइलेक्ट्रिक सोसायटी (ETS) अनेक देशांमधील संशोधन प्रयत्नांचे समन्वय साधते.

उपकरणाच्या डिझाइनमध्ये सुधारणा

उष्णता हस्तांतरण वाढवण्यासाठी आणि औष्णिक नुकसान कमी करण्यासाठी संशोधक TEGs च्या डिझाइनमध्ये सुधारणा करत आहेत. यामध्ये प्रगत हीट सिंक, मायक्रोफ्लुइडिक कूलिंग सिस्टम आणि नवीन डिव्हाइस आर्किटेक्चरचा वापर समाविष्ट आहे. जपानमधील टोकियो विद्यापीठातील संशोधकांनी एक मायक्रो-टीईजी विकसित केला आहे जो परिधान करण्यायोग्य सेन्सर्समध्ये समाविष्ट केला जाऊ शकतो. शिवाय, दक्षिण कोरियामधील विविध संशोधन संघ परिधान करण्यायोग्य उपकरणांसाठी लवचिक TEG डिझाइनवर काम करत आहेत.

नवीन उपयोगांचा विकास

संशोधक आरोग्यसेवा, पर्यावरणीय निरीक्षण आणि औद्योगिक ऑटोमेशन यांसारख्या विविध क्षेत्रांमध्ये शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींसाठी नवीन उपयोग शोधत आहेत. यामध्ये स्व-उर्जित वैद्यकीय उपकरणे, वायरलेस सेन्सर्स आणि IoT उपकरणांचा विकास समाविष्ट आहे. उदाहरणांमध्ये होरायझन 2020 कार्यक्रमांतर्गत युरोपियन कमिशनद्वारे निधीपुरवठा केलेल्या प्रकल्पांचा समावेश आहे, जे आरोग्यसेवेमधील परिधान करण्यायोग्य उपकरणांसाठी ऊर्जा संचयनावर लक्ष केंद्रित करतात.

खर्च कमी करणे

अधिक मुबलक आणि कमी खर्चाचे साहित्य वापरून आणि अधिक कार्यक्षम उत्पादन प्रक्रिया विकसित करून संशोधक TEGs चा खर्च कमी करण्यावर काम करत आहेत. यामध्ये थ्रीडी प्रिंटिंगसारख्या अॅडिटीव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग तंत्राचा वापर करून जटिल भूमिती आणि ऑप्टिमाइझ्ड कामगिरीसह TEGs तयार करणे समाविष्ट आहे. चीनमध्ये, सरकार आयात केलेल्या साहित्यावरील अवलंबित्व कमी करण्यासाठी थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्याच्या संशोधनात मोठी गुंतवणूक करत आहे.

भविष्यातील शक्यता

शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींचे भविष्य आशादायक दिसते, ज्यात वाढ आणि नवनिर्माणासाठी मोठी क्षमता आहे. जसजसे थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्य आणि उपकरण तंत्रज्ञान सुधारत राहील, तसतसे शारीरिक उष्णता ऊर्जा परिधान करण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक्स, वैद्यकीय उपकरणे आणि इतर उपयोगांना ऊर्जा देण्यात वाढती महत्त्वाची भूमिका बजावेल अशी अपेक्षा आहे. इलेक्ट्रॉनिक्सचा कमी होणारा आकार आणि खर्च तसेच स्व-उर्जित उपकरणांची वाढती मागणी शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणालींचा अवलंब करण्यास अधिक चालना देईल.

लक्षात ठेवण्यासारखे प्रमुख ट्रेंड्स:

प्रगत थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्य: सुधारित ZT मूल्ये आणि कमी खर्चासह उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्याचा सतत विकास.

लवचिक आणि ताणता येणारे TEGs: मानवी शरीराच्या आकारात जुळवून घेणारे आणि यांत्रिक ताण सहन करू शकणारे TEGs विकसित करणे.

परिधान करण्यायोग्य उपकरणांसह एकीकरण: कपडे, अॅक्सेसरीज आणि इतर परिधान करण्यायोग्य उपकरणांमध्ये TEGs चे अखंड एकीकरण.

स्व-उर्जित वैद्यकीय उपकरणे: शरीरातील उष्णतेद्वारे चालणारी प्रत्यारोपण करण्यायोग्य आणि परिधान करण्यायोग्य वैद्यकीय उपकरणे विकसित करणे, ज्यामुळे बॅटरी बदलण्याची गरज कमी होते.

IoT उपयोग: IoT अनुप्रयोगांमध्ये शारीरिक उष्णतेवर चालणारे सेन्सर्स आणि उपकरणांची मोठ्या प्रमाणावर तैनाती.

निष्कर्ष

शारीरिक उष्णता ऊर्जा प्रणाली मानवी शरीराद्वारे निर्माण होणारी औष्णिक ऊर्जा वापरून तिचे वापरण्यायोग्य विजेमध्ये रूपांतर करण्यासाठी एक आश्वासक तंत्रज्ञान दर्शवतात. जरी महत्त्वपूर्ण आव्हाने असली तरी, चालू असलेले संशोधन आणि विकास प्रयत्न या तंत्रज्ञानाचा विविध अनुप्रयोगांमध्ये व्यापक अवलंब करण्याचा मार्ग मोकळा करत आहेत. जसजसे थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्य आणि उपकरण तंत्रज्ञान सुधारत राहील, तसतसे शारीरिक उष्णता ऊर्जेला शाश्वत ऊर्जा आणि परिधान करण्यायोग्य इलेक्ट्रॉनिक्सच्या भविष्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावण्याची क्षमता आहे, ज्याचे जागतिक स्तरावर आपण आपली उपकरणे कशी चालवतो आणि आपल्या आरोग्यावर कसे लक्ष ठेवतो यावर परिणाम होईल.