ఈ కుళ్లిన పండ్లతో మీ మొబైల్ ఫోన్ రీచార్జ్ చేసుకోవచ్చు...

మనం వాడే ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలలో ఉండే లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలు కాలక్రమేణ క్షీణిస్తూ పర్యావరణానికి హాని కలిస్తాయి. అలా కాకుండా భూమికి భారం కాని విధంగా శక్తిని నిల్వచేసుకునే పద్ధతులేమైనా ఉన్నాయా?

నేడు లిథియం అయాన్ బ్యాటరీ లేకుండా మన బండి నడవదు. మొబైల్ ఫోన్లు, కంప్యూటర్లు, కార్లు అన్నీ లిథియం అయాన్ బ్యాటరీల మీదే ఆధారపడి ఉన్నాయి. శక్తిని నిల్వచేస్తూ మనతోపాటూ ఎక్కడికైనా తీసుకు వెళ్లగలిగే విధంగా మన జీవితాల్లో భాగమైపోయాయి.

మొట్టమొదటిసారిగా 1991లో సోనీ కంపెనీ ఈ లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలను మార్కెట్‌లోకి తీసుకొచ్చింది. అప్పటినుంచీ అన్ని రకాల ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల్లోనూ ఈ బ్యాటరీలు భాగమై ఒక సాంకేతిక విప్లవానికి దారితీశాయి.

వీటిని కనిపెట్టిన ముగ్గురు శాస్త్రవేత్తలకూ గ‌తేడాది రసాయన శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి ఇచ్చారు. భవిష్యత్తులో వీటి అవసరం పెరుగుతుందే తప్ప తగ్గే అవకాశం లేదు.

కొత్తగా వస్తున్న ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలలో శిలాజ ఇంధనాలకు బదులు లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలను ప్రత్యామ్నాయాలుగా వాడుతున్నారు.

భవిష్యత్తులో శిలాజ ఇంధన వనరుల కొరత ఏర్పడినప్పుడు, అవసరానికిగానూ అదనపు శక్తిని నిల్వ చెయ్యడానికి భారీ బ్యాటరీ బ్యాంకులు అవసరమవుతాయి.

ప్రపంచ వ్యాప్తంగా సంవత్సరానికి 7 బిలియన్ల లిథియం బ్యాటరీలు అమ్ముతున్నారు. 2027కి వీటి అమ్మకాలు 15 బిలియన్లకు పెరుగుతాయని అంచనా.

అయితే ఈ లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలు కాలక్రమేణ క్షీణిస్తాయి. వీటి శక్తి తగ్గిపోతుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రత లేదా చలి ప్రదేశాల్లో వీటి సామర్థ్యం తక్కువగా ఉంటుంది. భద్రత కూడా ఆలోచించవలసిన విషయమే! ఒక్కోసారి ఇవి కాలిపోవచ్చు లేదా పేలిపోవచ్చు. వీటిని తయారుచేయడానికి వాడే లోహాలు సామాజిక, పర్యావరణ వ్యయంతో కూడుకున్నవే!

ఇన్ని సమస్యలున్న వీటికి ప్రత్యామ్నాయంగా కొత్త రకం బ్యాటరీలు కనుగొనాలని శాస్త్రవేత్తలు పరిశోధనలు చేస్తునారు. వజ్రాలతో మొదలుకొని, కంపుగొట్టే పళ్లవరకూ అన్నిటినీ పరిశీలిస్తున్నారు.

లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలు ఎలా పనిచేస్తాయి?

లిథియం బ్యాటరీలలో ఉండే లిథియం కణాలు (అయాన్లు) ద్రవ రూపంలో ప్రవహించే ఎలక్ట్రోలైట్ గుండా ఒక చివరి నుంచీ మరో చివరకు విద్యుత్‌ను చేరవేస్తాయి. ఈ బ్యాటరీల్లో ఉండే శక్తి సాంద్రత చాలా ఎక్కువ. చిన్న పరిమాణంలో ఉన్న బ్యాటరీలు కూడా ఎక్కువ శక్తిని నిల్వచేసుకుంటాయి.

బ్యాటరీలలో మూడు ముఖ్య భాగాలుంటాయి - ఒక పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్, ఒక నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ ఈ రెండిటి మధ్య ఉండే ఎలక్ట్రోలైట్. ఎలక్ట్రోడ్‌లు విద్యుత్ వాహకాలు. బ్యాటరీలలో ఆ కొసన ఈ కొసన క్యాథోడ్, ఆనోడ్ అనే రెండు ఎలక్ట్రోడ్‌లు ఉంటాయి. బ్యాటరీని ఛార్జ్ చేస్తున్నప్పుడు వాటిలో ఉండే విద్యుత్ కణాలు క్యాథోడ్ నుంచి, ఆనోడ్‌కు ప్రవహిస్తాయి. ఛార్జ్ తీసేసి బ్యాటరీని మనం వాడుతున్నప్పుడు (అంటే బ్యాటరీ డిశ్ఛార్జ్ అవుతున్నప్పుడు) విద్యుత్ కణాలు ఆనోడ్ నుంచీ క్యాథోడ్‌కి వ్యతిరేక దిశలో కదులుతాయి.

ఇన్ని సంవత్సరాలుగా ఈ క్యాథోడ్, ఆనోడ్‌ల తయారీలో వాడే పదార్థాలను మెరుగుపరుస్తూ ఉండడం వలన బ్యాటరీ సామర్థ్యం పెరుగుతూ వచ్చింది. ముఖ్యంగా లిథియం అయాన్ బ్యాటరీల ధరలు బాగా తగ్గాయి.

అభివృద్ధి ఇలా

ఆక్స్‌ఫర్డ్ యూనివర్సిటీ ప్రొఫెసర్ మవురో పాస్తా లిథియం అయాన్ బ్యాటరీల సామర్థ్యాన్ని పెంపొందించే దిశలో వీటిని మరో దశకు తీసుకెళ్లే ప్రయత్నం చేస్తున్నారు.

‌35 ఏళ్ల క్రితం అభివృద్ధి పరిచిన సైన్స్ ఒకచోట ఆగిపోయే స్థితికి వచ్చిందని ఆయన అన్నారు.

మళ్లీ మళ్లీ ఛార్జ్, డిశ్చార్జ్ చేస్తూ ఉన్నప్పుడు క్రమంగా వీటి శక్తి క్షీణించిపోకుండా ఉండేందుకు, ఈ బ్యాటరీల శక్తి సాంద్రత పెంచే దిశలో ప్రొఫెసర్ పాస్తా పరిశోధనలు చేస్తున్నారు.

ఈ బ్యాటరీల్లో ద్రవరూపంలో ఉండే ఎలక్ట్రోలైట్‌కు బదులు పింగాణీతో తయారయ్యే ఘన పదార్థాన్ని వాడొచ్చేమోనని పరిశోధిస్తున్నారు.

ద్రవ పదార్థానికి బదులు ఘన పదార్థాన్ని వాడితే షార్ట్ సర్క్యూట్ అయి కాలిపోవడం లేదా పేలిపోవడం లాంటివి తగ్గొచ్చని అంచనా.

అంతేకాకుండా ఘన పదార్థం వాడడం వలన ఆనోడ్‌కు ఇప్పటివరకూ వాడుతున్న గ్రానైట్ కాకుండా దట్టంగా ఉండే లిథియం లోహం వాడొచ్చు. దీనివల్ల శక్తి నిల్వల సామర్థ్యం పెరుగుతుంది. తద్వారా ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల పనితనం మెరుగుపడడానికి దోహపడుతుంది.

భ‌విష్య‌త్‌లో చాలా దేశాల్లో ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల వాడకం పెరగబోతోంది. పింగాణీతో చేసిన ఘన పదార్థాన్ని బ్యాటరీలలో వాడగలిగితే ఈ వాహనాలు తక్కువ శక్తితో ఎక్కువ దూరం ప్రయాణించగలవు.

లిథియంకు ప్రత్యామ్నాయం

మానవ జీవితంలో బ్యాటరీ అవసరం పెరుగుతుందే తప్ప తగ్గేదిలేదు. ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు పెరుగుతాయి. పోర్టబుల్ ఎలక్ట్రానిక్ వస్తువుల వినియోగం పెరుగుతుంది. భవిష్యత్తులో ఇంకా ఇంకా ఎక్కువగా బ్యాటరీ మీద అధారపడాల్సి వస్తుంది. ఇలాంటి పరిస్థితుల్లో పర్యావరణానికి హాని కలిగించే లిథియం కన్నా మెరుగైన పదార్థాన్ని బ్యాటరీ తయారీలో వాడడం మేలు. బ్యాటరీ సామర్థ్యం తగ్గకుండా లిథియంకు ప్రత్యామ్నాయంగా వాడగలిగే పదార్థాన్ని కనిపెట్టే దిశలో పరిశోధనలు చెయ్యాల్సి ఉంది.

లిథియం ట్రయాంగిల్‌గా పిలిచే ఆడీస్ పర్వత శ్రేణుల్లోని ప్రాంతంలో ప్రపంచంలో సగం కన్నా ఎక్కువగా లిథియం గనులు ఉన్నాయి. అర్జెంటీనా, బొలీవియా, చిలీ దేశాల్లోని కొంత భాగాలను కలుపుని ఉన్న ఈ ప్రాంతమంతా ఉప్పు మైదానాలతో నిండి ఉంటుంది. ఇక్కడ గనులు తవ్వాలంటే చాలా ఎక్కువ నీరు ఖర్చవుతుంది.

చిలీలోని సాలార్ డీ అటకామా ప్రాంతంలో కేవలం 900 కేజీల లిథియం తియ్యడానికి దాదాపు ఒక మిలియన్ లీటర్ల నీరు వాడాల్సి ఉంటుంది. గనుల పైనున్న ఉప్పు శాతాన్ని మెల్లి మెల్లిగా కరిగిస్తూ స్వచ్ఛ‌మైన లిథియం లవణాన్ని బయటకు తియ్యడానికి చాలా ఎక్కువ నీరు ఖర్చవుతుంది. ఇక్కడ మంచు, వర్షం ద్వారా వచ్చే నీటి కంటే ఎక్కువ నీరు ఈ గనుల తవ్వకాలకు కావాల్సి ఉంటుంది. ఇది పర్యావరణానికి హాని కలిగిస్తుందని చిలియన్ ప్రభుత్వ పర్యావరణ సంస్థలు హెచ్చరించాయి. ఈ క్రమంలో లిథియంకు బదులుగా వాడగలిగే పదార్థాలపై శాస్త్రవేత్తలు పరిశోధనలు చేస్తున్నారు.

జర్మనీలోని కార్ల్ స్రూహే ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీ ప‌రిశోధ‌కులు ఆనోడ్‌లో కాల్షియం లేదా మెగ్నీషియం వాడొచ్చేమోన‌ని పరిశీలిస్తున్నారు. వీటి మీద చేస్తున్న పరిశోధనలు ఇంకా ప్రారంభ దశలోనే ఉన్నాయి.

మరికొందరు శాస్త్రవేత్తలు బ్యాటరీలలో కలపను వాడే అవకాశాలను పరిశీలిస్తున్నారు. యూనివర్సిటీ ఆఫ్ మెరీల్యాండ్‌లోని సెంటర్ ఫర్ మెటీరియల్ ఇన్నొవేషన్ అధిపతి లియాంగ్బింగ్ హూ సూక్ష్మ రంధ్రాలున్న చెక్క ముక్కలను ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా వాడి బ్యాటరీని తయారుచేశారు.

కలప సమృద్ధిగా దొరుకుతుంది, తేలికగా ఉంటుంది, తక్కువ ఖర్చుతో తయారు చెయ్యొచ్చు. చెక్క ముక్కలను ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా వాడిన బ్యాటరీ పనితీరు మెరుగ్గా ఉందని పరిశోధనలో తేలింది.

కలపలో ఉన్న సహజ పోషకాల వలన ప్రమాదాలకు గురవ్వకుండా లోహపు కణాలను నిల్వ చేసుకోగలిగే సామర్థ్యం ఉంటుంది.

అయితే ప్రస్తుతానికి కలప వాడిన బ్యాటరీలు తొందరగా ఛార్జ్ కోల్పోతున్నాయి. వీటి శక్తి నిల్వల సామర్థ్యాన్ని పెంచి ఎలక్ట్రిక్ పరికరాల్లోనూ, వాహనాల్లోనూ వాడే విధంగా తయారుచెయ్యడానికి మరింత పరిశోధన చెయ్యాల్సి ఉంది.లిథియం మాత్రమే కాకుండా బ్యాటరీల తయారీలో కోబాల్ట్ కూడా వాడతారు. క్యాథోడ్ తయారీలో లిథియం, కోబాల్ట్‌లను కలిపి వాడతారు. కానీ కోబాల్ట్ గనుల తవ్వకం వలన ప్రాణహాని ఎక్కువగా ఉంటుంది.

అంతేకాకుండా కోబాల్ట్ గనులు అధికంగా ఉన్న డెమొక్రటిక్ రిపబ్లిక్ ఆఫ్ కాంగోలో ఈ గనుల తవ్వకాలకు బాల కార్మికులను ఎక్కువగా వాడుతున్నారన్న ఆరోపణ కూడా ఉంది. ఇటీవలే కోబాల్ట్ మైనింగ్ మరణాలకు కారణమయ్యాయి అంటూ ఆపిల్, టెస్లా, మైక్రోసాఫ్ట్ లాంటి పెద్ద కంపెనీలపై కేసు నమోదయ్యింది.

ప్రోటీన్ బ్యాటరీలు

“బాల కార్మికుల చెమట, రక్తంతో తడిసిన లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలున్న పరికరాలను మనందరం వాడుతున్నాం" అని టెక్సాస్ ఏ&ఎం యూనివర్సిటీకు చెందిన కెమికల్ ఇంజినీర్ జోడీ లుట్కెన్‌హాస్ అన్నారు.

ఈ అంశం ఆమెను పిల్లల రక్తంతో తడిసిన ఈ బ్యాటరీలకు ప్రత్యామ్యాయాన్ని కనుక్కునే దిశలో ప్రోత్స‌హించింది. ప్రోటీన్లు, జీవజాలంలో తయారయ్యే సంక్లిష్ట అణువులను ఉపయోగించి బ్యాటరీలకు కావలసిన పదార్థాలను తయారుచేసే దిశలో పరిశోధనలు చేస్తున్నారు.

లుట్కెనాస్ తోటి ప‌రిశోధ‌కురాలు కరేన్ వూలేతో కలిసి ప్రపంచంలోనే మొట్టమొదటి ప్రోటీన్ బ్యాటరీలను తయారుచేశారు. కావాలనుకున్నప్పుడు వీటిని ఆమ్లంలో కరిగించడం ద్వారా విచ్ఛిన్నం చేసి మళ్లీ వాడుకోవచ్చు.

అయితే ప్రస్తుతానికి ఈ ప్రోటీన్ బ్యాటరీలు, లిథియం బ్యాటరీలకు పోటీ వచ్చే స్థాయిలో లేవు. వీటి సామర్థ్యాన్ని పెంచే దిశలో పరిశోధనలు జరుగుతున్నాయి.

ఈ ప్రోటీన్ బ్యాటరీలు పూర్తి స్థాయిలో వాడగలిగే సామర్థ్యాన్ని సంతరించుకుంటే మరొక సాంకేతిక విప్లవానికి తెరతీస్తాయి.

క్యాథోడ్, ఆనోడ్లలో సేంద్రీయ పదార్థాలను వాడగలిగితే కోబాల్ట్ గనుల తవ్వకాన్ని ఆపేయొచ్చు.

అంతేకాకుండా లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలు క్షీణించాక కలిగించే పర్యావరణ హానినుంచి తప్పించుకోవచ్చు.

సూపర్ ఫ్రూట్

ఇవే కాకుండా కొందరు శాస్త్రవేత్తలు ఆహార వ్యర్థాల నుంచీ శక్తిని రాబట్టే పరిశోధనలు చేస్తున్నారు.

సిడ్నీ యూనివర్సిటీకి చెందిన విన్సెంట్ గోమ్స్, లబ్నా షబ్నం తమ బృందంతో కలిసి ప్రపంచంలోనే అత్యంత చెడు వాసన వచ్చే డ్యూరయిన్ పండు, పరిమాణంలో అన్నిటికన్నా పెద్దదైన పనస పండు వ్యర్థాలను ఉపయోగించి మొబైల్ ఫోన్లు, టాబ్లెట్లు, ల్యాప్‌టాప్లను నిమిషాల్లో ఛార్జ్ చెయ్యగలిగే ఒక సూపర్ కెపాసిటర్‌ను తయారుచేశారు.

సూపర్ ‌కెపాసిటర్లు శక్తిని నిల్వ చెయ్యడానికి వాడే ప్రత్యామ్నాయ సాధనాలు. వీటిని చాలా ఖరీదైన గ్రాఫీన్‌తో తయారుచేస్తారు.

కానీ గోమ్స్ బృందం డ్యూరయిన్, పనస పళ్ల వ్యర్థాలతో అసాధారణ రీతిలో శక్తిని నిల్వ చేసుకోగలిగే సూపర్ కెపాసిటర్‌ను తయారు చేశారు.

ఈ పళ్ల తొక్కలను ఉడికించి తరువాత ఫ్రిడ్జ్‌లో ఎండనిచ్చి, 1500C ల కన్న ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత దగ్గర ఓవెన్‌లో బేక్ చేసి వీటిని తయారుచేశారు.

ఇలా తయారైన తేలికైన సూక్ష్మ రంధ్రాలున్న నల్లటి నిర్మాణాలను ఎలక్ట్రోడ్‌లలో వాడుకోవచ్చు.

ఈ సూపర్ కెపాసిటర్ల‌ను 30 సెకండ్లలో ఛార్జ్ చెయ్యొచ్చు. ఎలాంటి పరికరాలలోనైనా వాడుకోవచ్చు.

"మొబైల్ ఫోన్‌ను ఒక్క నిముషంలో ఛార్జ్ చెయ్యగలగడం నమ్మశక్యంకాని విషయం" అంటూ షబ్నం తన ఆనందాన్ని వ్యక్తం చేశారు.

బ్యాటరీలకు బదులు వీరు తయారుచేసిన సూపర్ కెపాసిటర్లను వాహనాలకు, ఇతర పరికరాలకు వాడగలిగే రీతిలో తీర్చిదిద్దడమే ధ్యేయంగా ఈ బృందం పనిచేస్తోంది.

వజ్రపు బ్యాటరీ

యూనివర్సిటీ ఆఫ్ బ్రిస్టల్‌కు చెందిన పాల్ స్కాట్ బృందం మానవ నిర్మిత వజ్రాలను ఉపయోగించి బ్యాటరీలు తయారుచేసే పనిలో పడ్డారు.

వీరు ఇప్పటికే ఒక వజ్రపు బ్యాటరీ నమూనాను తయారుచేశారు. ఇవి పరిమాణంలో చాలా చిన్నవిగా ఉంటాయి. మామూలు వజ్రాల్లా ఇవి చాలా ఖరీదేం ఉండవు అంటున్నారు.

ఇవి కూడా చదవండి:

(బీబీసీ తెలుగును ఫేస్‌బుక్, ఇన్‌స్టాగ్రామ్‌, ట్విటర్‌లో ఫాలో అవ్వండి. యూట్యూబ్‌లో సబ్‌స్క్రైబ్ చేయండి.)