કપાસ અને સમુદ્રનું પાણી શું આપણાં મોબાઇલ-લૅપટૉપની બૅટરીને ચાર્જ કરશે?

બૅટરી માટે આવશ્યક લિથિયમ અને અન્ય ખનીજોનું ખનન પર્યાવરણને વધુને વધુ નુકસાન પહોંચાડી રહ્યું છે. જોકે, આપણી આસપાસ તેની વૈકલ્પિક સામગ્રીઓ ઉપલબ્ધ છે.

એક મિનિટ. લાઇટ ગઈ છે, પણ ભારતના એક માર્ગની બાજુ પર આવેલા એક કૅશ મશીનમાંથી હજુયે ચલણી નોટો નીકળી રહી છે. તેનું શ્રેય અમુક અંશે સળગેલા કપાસને જાય છે, કારણ કે આ કૅશ મશીનની અંદર એક બૅકઅપ બૅટરી આવેલી છે, એક એવી બૅટરી જે કાળજીપૂર્વક સળગાવવામાં આવેલા રૂમાંથી નીકળેલો કાર્બન હોય છે.

બૅટરી બનાવનારી જાપાનની કંપની પીજેપી આઇના ચીફ ઇન્ટેલિજન્સ ઑફિસર ઈન્કેત્સુ ઓકિના જણાવે છે, "સાચું કહું તો, બૅટરીની બનાવટની ચોક્કસ પ્રક્રિયા ગોપનીય રાખવામાં આવી છે. કપાસ બાળતી વખતનું તાપમાન ગોપનીય રાખવામાં આવે છે અને વાતાવરણની સ્થિતિ, દબાણ પણ."

ઓકિના કહે છે કે, "આ માટે 3000 સેન્ટિગ્રેડ (5,432 ફેરનાઇટ) કરતાં ઊંચું તાપમાન હોવું જોઈએ. વળી, એક કિલોગ્રામ કપાસમાંથી 200 ગ્રામ કાર્બન નીકળે છે. તેમાંથી પ્રત્યેક બૅટરી સેલ બનાવવા માટે કેવળ બે ગ્રામ કપાસની જરૂર પડે છે."

ઓકિના કહે છે કે, "કંપનીએ 2017માં કપાસની એક ખેપ પ્રાપ્ત કરી હતી અને તેમાંથી હજુયે કપાસ બચ્યો છે."

કંપનીએ જાપાનના ફુકુઓકાની ક્યુશુ યુનિવર્સિટીના સંશોધકો સાથે મળીને વિકસાવેલી બૅટરીમાં એનોડ માટે કાર્બનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. એનોડ એ આયન જેની વચ્ચેથી વહે છે, તે બે ઇલેક્ટ્રોડ્ઝ પૈકીનો એક હોય છે. બૅટરી ચાર્જ થઈ રહી હોય, તે સમયે આયન્સ એક દિશામાં ગતિ કરે છે અને જ્યારે તે ઉપકરણને ઊર્જા આપે છે, તે સમયે તે બીજી દિશામાં ગતિ કરે છે.

મોટા ભાગની બૅટરીમાં એનોડ તરીકે ગ્રેફાઇટનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, પણ પીજેપી એવી દલીલ કરે છે કે, તેમનો અભિગમ વધુ સાતત્યપૂર્ણ છે, કારણ કે તે માટે કાપડ ઉદ્યોગના નકામા કપાસનો ઉપયોગ કરીને પણ એનોડ બનાવી શકાય છે.

ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને વિશાળ ઍનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સના ઉદ્ભવને પગલે આવનારાં વર્ષોમાં બૅટરીઝની વ્યાપક માગ ઉદ્ભવે, એવી અપેક્ષા છે, ત્યારે કેટલાક સંશોધકો અને વ્યવસાયો વર્તમાન સમયમાં પ્રચલિત લિથિયમ ઈયન અને ગ્રેફાઇટ બૅટરીઓના સંભવિત વિકલ્પો પર ઝડપથી કામ કરી રહ્યા છે. તેઓ દલીલ કરે છે કે, પીજેપી આઇની માફક તેઓ પણ બૅટરીનું ઉત્પાદન કરવા માટે વધુ સાતત્યપૂર્ણ તથા વ્યાપક સ્તર પર ઉપલબ્ધ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરી શકે છે.

બૅટરીની રચના કેવી હોય અને કેવી રીતે કામ કરે છે?

બૅટરી મુખ્યત્વે ત્રણ ઘટકોની બનેલી હોય છેઃ બે ઇલેક્ટ્રોડ અને તેમની વચ્ચે એક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ. એક ઇલેક્ટ્રોડ પૉઝિટિવલી ચાર્જ થાય છે અને તે કેથોડ તરીકે ઓળખાય છે. જ્યારે નૅગેટિવલી ચાર્જ થયેલો ઇલેક્ટ્રોડ એનોડ હોય છે. વપરાશ સમયે આયન્સ તરીકે ઓળખાતા ચાર્જ્ડ પાર્ટિકલ્સ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મારફત એનોડમાંથી કેથોડમાં વહે છે. તેને કારણે ઇલેક્ટ્રોન્સ બૅટરી જે કોઈ પણ ઇલેક્ટ્રિકલ સર્કિટ સાથે કનેક્ટ થયેલી હોય, તેના વાયર થકી પ્રવાહિત થાય છે.

લિથિયમના ખનનની પર્યાવરણ પર ઘણી ગંભીર અસર પડી શકે છે. ધાતુનું ખનન કરવા માટે વ્યાપક પ્રમાણમાં પાણી અને ઊર્જાની જરૂર પડે છે. વળી, આ પ્રક્રિયાથી લૅન્ડસ્કેપને ઘણું નુકસાન પહોંચી શકે છે.

પ્રાપ્ત કરવામાં આવેલા લિથિયમને ઘણી વખત ખનનના સ્થળથી લાંબા અંતરે મોકલીને ચીન જેવા દેશોમાં રિફાઇનિંગ માટે મોકલવામાં આવતું હોય છે. એ જ રીતે ગ્રેફાઇટ પણ ખનન કરીને કે પછી અશ્મિગત ઈંધણોમાંથી મેળવવામાં આવે છે. આ બંને પણ પર્યાવરણ પર વિપરિત અસર ઉપજાવે છે.

એસએન્ડપી ગ્લોબલ કૉમૉડિટી ઇન્સાઇટ્સના વિશ્લેષક સૅમ વિલ્કિન્સન જણાવે છે, "બૅટરીની સામગ્રી જ્યારે ખનન અને પરિવહનમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે કાર્બન ફૂટપ્રિન્ટમાં કેટલો વધારો થઈ શકે છે, તેની કલ્પના કરી શકાય છે."

અન્ય એક ઉદાહરણ લઈએઃ ઘણી લિથિયમ બૅટરીમાં વપરાતો કોબાલ્ટ મુખ્યત્વે ડેમૉક્રેટિક રિપબ્લિક ઑફ કોંગોમાંથી ખનન થકી પ્રાપ્ત કરવામાં આવે છે. પણ ત્યાંની જોખમી કાર્ય સ્થિતિ વિશેના અહેવાલો અવારનવાર પ્રાપ્ત થતા રહે છે.

સમુદ્રના પાણીથી લઈને જૈવ કચરો અને કુદરતી રંગદ્રવ્યો સુધી, વ્યાપક સ્તર પર ઉપલબ્ધ હોય તેવા પ્રકૃતિના સંભવિત વિકલ્પોની યાદી ઘણી લાંબી છે. પણ તે પૈકી એક પણ વિકલ્પ વાસ્તવદર્શી રીતે બજારમાં અગાઉથી મોજૂદ છે, તે પ્રકારની બૅટરીઝ સાથે સ્પર્ધા કરવા માટે સક્ષમ છે કે કેમ, તે પુરવાર કરવું મુશ્કેલ છે.

આ ઉપરાંત પીજેપી આઇ બૅટરીના કાર્યદેખાવમાં સુધારો લાવવા પર તથા બૅટરીઝને પર્યાવરણ માટે વધુ સાનુકૂળ બનાવવાની બાબત પર પણ ભાર મૂકે છે. "આપણો કાર્બન ગ્રેફાઇટ કરતાં વધુ મોટો ક્ષેત્રીય વિસ્તાર ધરાવે છે," એમ ઓકિનાએ જણાવ્યું હતું.

સાથે જ તેમણે તેમની કેમ્બ્રિયન સિંગલ કાર્બન બૅટરીના એનોડની રાસાયણિક સંરચના કેવી રીતે ઘણી ઝડપથી ચાર્જ થાય, એવી બૅટરી બનાવે છે (હાલની લિથિયમ ઇયોન બૅટરીઓની તુલનામાં દસ ગણી વધુ ઝડપથી), તે સ્પષ્ટ કર્યું હતું.

બૅટરીનો કેથોડ "બેઝ મેટલ" ઑક્સાઇડમાંથી બને છે. જોકે, ઓકિના તે ધાતુ વિશે ફોડ પાડતા નથી, પણ તે ધાતુઓમાં તાંબુ, સીસું, નિકલ અને જસતનો સમાવેશ થાય છે, જે લિથિયમ જેવી આલ્કલાઇન ધાતુની તુલનામાં વધુ સક્રિય અને ઓછી રીઍક્ટિવ છે. કંપની ડ્યૂઅલ કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ બૅટરી પર કામ કરી રહી હોવાનો દાવો કરે છે, જેમાં બંને ઇલેક્ટ્રોડ્ઝ વનસ્પતિ આધારિત કાર્બનમાંથી બનેલા છે. આ ટેકનિક ક્યુશુ યુનિવર્સિટી ખાતેના સંશોધકો દ્વારા હાથ ધરવામાં આવેલા સંશોધન પર આધારિત છે. જોકે, આ બૅટરી 2025 સુધી ઉપલબ્ધ થવાની શક્યતા નથી.

બૅટરીને ઝડપથી ચાર્જ કરવી કૅશ મશીન માટે એટલું મહત્ત્વપૂર્ણ નથી, પરંતુ ઇલેક્ટ્રિક વ્હિકલનો ઉપયોગ કરતી વખતે બૅટરી જલદી ફુલ ચાર્જ થઇ જાય, એ જરૂરી બની રહે છે.

તેઓ કહે છે કે, ચીનની કંપની ગોશિયાએ હિટાચી સાથે મળીને એક એવું ઇ-બાઇક વિકસાવ્યું છે, જે પીજેપી આઇની બૅટરી વાપરે છે. બાઇકની મહત્તમ સ્પીડ 50 કિલોમીટર પ્રતિ કલાક (31 માઇલ પ્રતિ કલાક) છે અને એક વખત ચાર્જ કર્યા બાદ 70 કિલોમીટર (44 માઇલ)નું અંતર કાપી શકાય છે.

અતિવિશાળ મહાસાગરોમાં શું છુપાયેલું છે, જેનાથી બૅટરીનું ભવિષ્ય બદલાઈ શકે?

જોકે, તે નકામી જૈવ સામગ્રીઓમાંથી કાર્બનનો ઉપયોગ કરતી એકમાત્ર બૅટરી નથી. ફિનલેન્ડની સ્ટોરા એન્સોએ એવું બૅટરી એનોડ વિકસાવ્યું છે, જે વૃક્ષોમાંથી મળતા પોલિમર - લિગ્નિસમાંથી કાર્બનનો ઉપયોગ કરે છે.

આ ઉપરાંત, કેટલાક સંશોધકોના મત પ્રમાણે, કેથોડ અને એનોડની વચ્ચે આયન્સના પ્રવાહને સરળ બનાવનારા ઇલેક્ટ્રોલાઇટના સ્થાને પણ કપાસનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. વળી, તેના કારણે હાલના સમયમાં પ્રાપ્ય બૅટરીઓની તુલનામાં કદાચ વધુ સ્થિર, નક્કર સ્થિતિ ધરાવતી બૅટરી બનાવી શકાશે.

પરંતુ કેટલાક લોકો પ્રકૃતિમાં ઊર્જાનો વધુ વિશાળ અને અમાપ સ્રોત હોવાની અપેક્ષા સેવે છે. વિશ્વના અતિવિશાળ મહાસાગરો બૅટરીઝ માટેની સામગ્રીના અસીમ જથ્થાનું પ્રતિનિધિત્વ કરતા હોવાનો તર્ક જર્મનીની હેલ્મહોલ્ટ્ઝ ઇન્સ્ટિટ્યૂટના ડેપ્યુટી ડિરેક્ટર સ્ટેફાનો પાસેરિનીએ વ્યક્ત કર્યો હતો.

મે, 2022માં પ્રકાશિત થયેલા એક પેપરમાં તેમણે અને તેમના સહકર્મીઓએ સોડિયમ ધાતુનો સમૃદ્ધ ભંડાર ઊભો કરવા માટે સમુદ્રના પાણીમાંથી સોડિયમ આયન્સ ટ્રાન્સફર કરતી બૅટરીની ડિઝાઇન વર્ણવી હતી. આમ કરવા માટે તેમની ટીમે એક વિશેષ પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ડિઝાઇન કર્યું હતું, જેના મારફત સોડિયમ આયન્સ પસાર થઈ શકે.

સમુદ્રનું પાણી અહીં કેથોડ અથવા તો પૉઝિટિવલી ચાર્જ્ડ ઇલેક્ટ્રોડનું કામ કરે છે, પરંતુ તેમાં કોઈ એનોડ નથી, કારણ કે, સોડિયમ નૅગેટિવ્લી ચાર્જ થતું નથી, તે તટસ્થ સ્થિતિમાં જમા થઈ જાય છે.

પાસેરિનીના મતે, સોડિયમનો સંગ્રહ કરવા માટે પવન કે સૌરઊર્જાનો ઉપયોગ કરી શકે છે, જે જરૂર ન પડે, ત્યાં સુધી ત્યાં જમા રહી શકે છે.

ધાતુ કેવી રીતે સમુદ્રમાં પરત જશે, તે સ્પષ્ટ કરતાં તેઓ સમજાવે છે, "જ્યારે ઊર્જાની જરૂર પડે, ત્યારે પ્રક્રિયાને ઉલટાવીને વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકાય છે."

જોકે, તેમાં કેટલાક પડકારો પણ રહેલા છે. લિથિયમની માફક સોડિયમ પાણીના સંપર્કમાં આવતાં ઊર્જાવાન પ્રતિક્રિયા આપે છે અને તેના કારણે વિસ્ફોટ થાય છે, એમ પાસેરિનીએ જણાવ્યું હતું. આથી, સમુદ્રનું પાણી સોડિયમના સંગ્રહમાં ન ઝમે, તે સુનિશ્ચિત કરવું આવશ્યક બની રહે છે, અન્યથા હોનારત સર્જાઈ શકે છે.

કેટલાક સંશોધકો કેથોડ માટેના સલામત વિકલ્પ તરીકે આપણાં દાંત અને હાડકાં સહિતના ભાગોમાંથી કુદરતી રીતે મળી આવતી સામગ્રી તરફ નજર દોડાવી રહ્યા છે. ઉદાહરણ તરીકે, તેને સિલિકોન સાથે સંયોજીત કરી શકાય છે, જે ભવિષ્યની બૅટરીમાં કૅલ્શિયમ આયન્સના પરિવહનમાં ઉપયોગી બની રહેશે.

અત્યાર સુધીની સૌથી મહાન પૈકીની એક શોધનો આશ્ચર્યજનક ઇતિહાસ

ભાવિ બૅટરીઝને શક્તિશાળી બનાવી શકે તેવી સામગ્રીઓની યાદી વધુને વધુ લાંબી થઈ રહી છે. સિટી કૉલેજ ઑફ ન્યૂ યૉર્ક - સીયુએનવાય ખાતેના જ્યૉર્જ જ્હૉન અને તેમના સહકર્મીઓ લાંબા સમયથી વનસ્પતિ અને અન્ય જીવોમાં મળી આવતા જૈવિક પિગમેન્ટ્સ - ક્વિનોન્સની બૅટરીમાં ઇલેક્ટ્રોડ સ્વરૂપે કામ કરવાની ક્ષમતા પર સંશોધન કરી રહ્યા છે. તેમને મેંદીમાંથી પ્રાપ્ત થતા એક અણુનું પણ આશાસ્પદ પરિણામ મળ્યું છે.

જ્હૉન કહે છે, "આ અમારું સપનું છે. અમે ટકાઉ, સાતત્યપૂર્ણ બૅટરી બનાવવા માગીએ છીએ."

તેઓ નોંધે છે કે, એક અવરોધ એ છે કે, કુદરતી મેંદીનો અણુ અત્યંત દ્રાવ્ય હોય છે. જ્યારે કેથોડ તરીકે તેનો ઉપયોગ કરવામાં આવે, ત્યારે તે ધીમે-ધીમે પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં પરિવર્તિત થઈ જાય છે. પણ મેંદીના ચાર અણુઓને એકઠા કરીને અને તેમાં લિથિયમ મેળવીને ક્રિસ્ટલ સંરચના વધુ મજબૂત હોય, તેવી રિસાઇકલેબલ સામગ્રી બનાવી શકાઈ હોવાનું જ્હૉને જણાવ્યું હતું.

"ક્રિસ્ટલિનિટી વધવા સાથે દ્રાવ્યતા ઘટી જાય છે," એમ તેમણે જણાવ્યું હતું.

જ્હૉને ઉમેર્યું હતું કે, તેઓ અને તેમના સહકર્મીઓ જે બૅટરી ડિઝાઇન્સ પર કામ કરી રહ્યા છે, તે ઇલેક્ટ્રિક વાહનોને ચલાવવા માટે ભલે પર્યાપ્ત ક્ષમતા ન ધરાવતી હોય, પણ નાનાં, વેઅરેબલ ઉપકરણો માટે તેમનો ઉપયોગ કરી શકાશે. જેમ કે, ડાયાબિટીસ ધરાવતા લોકોનું બ્લડસુગર ચેક કરતા કે અન્ય બાયૉમાર્કર્સનું માપન કરતા ગૅજેટ્સ.

અન્ય સંશોધકો બૅટરી માટે ઇલેક્ટ્રોડ્ઝના નવા પ્રકારો ઊભા કરવા મકાઈના કચરા અને તડબૂચનાં બીની છાલ જેવી સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવા માટે પ્રયાસરત્ છે. જોકે, આ ઉત્પાદન બૅટરી ઉદ્યોગની સતત વધતી માગને સંતોષી શકે, તેટલા વ્યાપક સ્તર પર કરવું પડકારરૂપ બની શકે છે.

અને સર્વાંગી સ્તરે, અતિશય માગને પહોંચી વળવું એ કોઈ પણ વૈકલ્પિક બૅટરી સામગ્રી માટે પડકારરૂપ બની રહે છે. હાલની લિથિયમ અને ગ્રેફાઇટ આધારિત બૅટરી ટેકનિકનો જ દાખલો લઈએ. જો તેનો ઉપયોગ આ જ રીતે ચાલુ રહેશે, તો પ્રગતિ સાધી રહેલા બૅટરી ઉદ્યોગની જરૂરિયાતને પહોંચી વળવા માટે વિશ્વને 2030 સુધીમાં દર વર્ષે આશરે બે મેગાટન ગ્રેફાઇટની જરૂર પડશે, એવો અંદાજ વૂડ મેકેન્ઝી ખાતેના વિશ્લેષક મેક્સ રીડે વ્યક્ત કર્યો હતો. આ જરૂરિયાત હાલ 700 કિલો ટનની છે.

આગળ તેઓ જણાવે છે, "માગ ત્રણ ગણી વધી છે. ગ્રેફાઇટના વિકલ્પોએ આટલી ઊંચી માગ સંતોષવી પડે છે. આ સ્તર સુધી પહોંચવું કોઈ પણ નવી સામગ્રી માટે મુશ્કેલ બની રહેશે."

ગ્રેફાઇટ સિવાયની ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ ઘણી ખર્ચાળ બની રહેશે અને સંભવતઃ મોટું વ્યાવસાયિક જોખમ બની રહેશે, એમ કૅલિફોર્નિયાસ્થિત બૅટરી વિજ્ઞાની તથા હાલમાં સ્વતંત્ર કન્સલ્ટન્ટ તરીકે કામ કરતાં એન્જિનિયર જીલ પેસ્ટેનાએ નોંધ્યું હતું.

કાર્બન એનોડ્ઝ માટે જૈવ કચરાનો ઉપયોગ કરવા અંગે તેઓ આશંકા સેવી રહ્યાં છે, કારણ કે આ પ્રકારના કચરાનો સ્રોત કાયમ પર્યાવરણ માટે સાનુકૂળ નથી હોતો. જેમ કે, જૈવિક વિવિધતા માટે નબળું વ્યવસ્થાપન ધરાવતું વૃક્ષારોપણ.

બીજી તરફ, ગ્રાહકો તેમણે ખરીદેલાં ઉત્પાદનોના ટકાઉપણા અંગે સભાન હોય, તેવાં બજારોમાં યોગ્ય રીતે મેળવવામાં આવેલી વૈકલ્પિક બૅટરી સામગ્રી માટે વધુ વિકલ્પો હોઈ શકે છે - પછી ભલે તે બૅટરી ભલે જૈવ કચરામાંથી મેળવવામાં આવેલા કાર્બન અથવા તો અન્ય કોઈ વધુ ટકાઉ પદાર્થમાંથી બનેલી હોય.

"આ પ્રયાસને આગળ ધપાવવામાં લોકો મહત્ત્વની ભૂમિકા ભજવી શકે છે," એમ પેસ્ટાનાએ જણાવ્યું હતું.

બીબીસી માટે કલેક્ટિવ ન્યૂઝરૂમનું પ્રકાશન