সূর্যালোক থেকে জ্বালানি: মালয়েশিয়ায় কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ উদ্যোগে নেতৃত্ব দিচ্ছেন অধ্যাপক ওং উই জুন

শৈশবের এক প্রশ্ন থেকে জাতীয় জ্বালানি মিশন

চতুর্থ শ্রেণিতে সালোকসংশ্লেষণ সম্পর্কে শেখার সময় ওং উই জুনের মনে একটি সহজ প্রশ্ন জেগেছিল: উদ্ভিদের মতো সূর্যালোক কাজে লাগিয়ে কি আধুনিক জীবনের জন্য শক্তি উৎপাদন করা যায়? সেই কৌতূহলই হয়ে ওঠে তাঁর জীবনের কাজ। মালয়েশীয় এই বিজ্ঞানী এখন ন্যানোবিজ্ঞান ও ক্যাটালাইসিসের সরঞ্জাম ব্যবহার করে একই নীতির অনুসন্ধান করছেন, পরিচ্ছন্ন জ্বালানির রাসায়নিক বন্ধনে সূর্যালোক সঞ্চয় করছেন।

অধ্যাপক ড. ওং শিয়ামেন ইউনিভার্সিটি মালয়েশিয়ার সহকারী ডিন এবং ন্যানো এনার্জি অ্যান্ড ক্যাটালাইসিস টেকনোলজি সেন্টার অব এক্সিলেন্সের প্রতিষ্ঠাতা পরিচালক। কেন্দ্রটি CONNECT নামে পরিচিত। তিনি ও তাঁর দল সালোকসংশ্লেষণের মৌলিক ধাপগুলো অনুকরণ করে কৃত্রিম পাতা তৈরি করছেন। শক্তিসমৃদ্ধ অণু উৎপাদনে তাঁদের যন্ত্রগুলো ক্লোরোফিলের বদলে প্রকৌশলগতভাবে তৈরি ন্যানোউপাদান ব্যবহার করে।

CONNECT পানির সাহায্যে হাইড্রোজেন উৎপাদন, CO2 থেকে মিথানল ও অন্যান্য রাসায়নিক তৈরি এবং প্লাস্টিক বর্জ্য থেকে জ্বালানি উৎপাদন নিয়ে গবেষণা করছে। দীর্ঘমেয়াদি পরিকল্পনায় রয়েছে মডিউলার সৌরচালিত হাইড্রোজেন খামার, যা গ্রামীণ জনগোষ্ঠীকে বিদ্যুৎ দিতে পারে এবং অত্যাধুনিক বিজ্ঞানকে দৈনন্দিন প্রয়োজনের সঙ্গে যুক্ত করতে পারে।

কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণে আসলে কী হয়

কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণে আলো শোষণকারী উপাদান ও অনুঘটক ব্যবহার করে সূর্যালোককে রাসায়নিক শক্তিতে রূপান্তর করা হয়। যন্ত্রটি ফোটন শোষণ করে, চলনশীল চার্জ তৈরি করে এবং সেই চার্জ কাজে লাগিয়ে পানি ভেঙে বা কার্বন ডাই-অক্সাইড বিজারিত করে। এতে যে জ্বালানি তৈরি হয়, তা সংরক্ষণ ও পরিবহন করা যায় এবং সূর্যালোক না থাকলেও ব্যবহার করা যায়।

পানি ভাঙার প্রক্রিয়ায় একটি বিক্রিয়ায় অক্সিজেন নির্গত হয় এবং অন্যটিতে হাইড্রোজেন তৈরি হয়। অর্ধপরিবাহী উপাদান শক্তি জোগায়, আর অনুঘটক প্রতিটি বিক্রিয়ার বাধা কমায়। হাইড্রোজেন জ্বালানি কোষের জন্য শক্তিবাহী এবং অ্যামোনিয়া উৎপাদন, ইস্পাতশিল্প ও পরিশোধন প্রক্রিয়ায় পরিচ্ছন্ন কাঁচামাল হিসেবে কাজে লাগে।

CO2-কে জ্বালানিতে রূপান্তর করতেও একই পদ্ধতি অনুসরণ করা হয়। বিশেষভাবে তৈরি অনুঘটক ইলেকট্রনকে পরিচালিত করে CO2-কে কার্বন মনোক্সাইড, ফর্মিক অ্যাসিড বা মিথানলে রূপান্তরিত করে। এ কাজে গুঁড়ো ফটোক্যাটালিস্ট, আলো শোষণকারী ইলেকট্রোডসহ ফটোইলেকট্রোকেমিক্যাল সেল অথবা নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎচালিত ইলেকট্রোক্যাটালিটিক ব্যবস্থা ব্যবহার করা যায়। লক্ষ্য একই: উচ্চ দক্ষতা ও গ্রহণযোগ্য ব্যয়ে স্থিতিশীলভাবে কাজ করা।

গবেষণাগারের সাফল্য থেকে মালয়েশিয়ার বাস্তব প্রকল্প

শিল্প ও সরকারের সঙ্গে সহযোগিতার মাধ্যমে CONNECT গবেষণাকে বাস্তব প্রয়োগের সঙ্গে যুক্ত করছে। ২০২৪ সালের আগস্টে শিয়ামেন ইউনিভার্সিটি মালয়েশিয়া জানায়, অধ্যাপক ওং এক মিলিয়ন রিঙ্গিতের বেশি মূল্যের PETRONAS একাডেমিয়া কোলাবোরেশন ডায়ালগ অনুদান পেয়েছেন। প্রকল্পটির লক্ষ্য, স্থলভাগের গ্যাস টার্মিনালে ফ্লেয়ারিং থেকে নির্গত CO2-কে মূল্যবান রাসায়নিকে রূপান্তরে সৌরচালিত কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ ব্যবহার করা, যা সরাসরি শিল্পের একটি নির্গমন উৎস মোকাবিলা করবে।

২৫টি বিশ্ববিদ্যালয়ের ৫৮৮ জন আবেদনকারীর মধ্য থেকে PETRONAS-এর কর্মসূচিতে ৬১টি প্রকল্প নির্বাচিত হয়। CONNECT-এর জন্য এই অনুদান এমন একটি গবেষণা-সম্ভারকে আরও শক্তিশালী করছে, যার মধ্যে রয়েছে ২০২৬ সালের মাঝামাঝি নাগাদ সম্পন্ন করার লক্ষ্যসহ সূর্যালোক থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদনের একটি প্রোটোটাইপ, গ্রিনহাউস গ্যাস কমানোর জন্য তৈরি অনুঘটক এবং পাম তেলের বর্জ্যকে গ্রাফিন ও সবুজ হাইড্রোজেনে রূপান্তরের পদ্ধতি। এসব উদ্যোগের মূল লক্ষ্য একটাই: নিয়ন্ত্রিত গবেষণাগার পরীক্ষায় আশাব্যঞ্জক ন্যানোঅনুঘটককে এমন শক্তপোক্ত যন্ত্রে রূপ দেওয়া, যা খোলা আকাশের নিচে কাজ করতে পারে।

এই অনুঘটকগুলোর ভেতরে বিজ্ঞান যেভাবে কাজ করে

কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ তিনটি ভিত্তির ওপর দাঁড়িয়ে আছে: আলো শোষণকারী উপাদান, চার্জকে আলাদা রাখার কাঠামো এবং দ্রুত ও বাছাই করে বিক্রিয়া ঘটানোর অনুঘটকীয় স্থান। দ্বিমাত্রিক উপাদান, বিশেষ সংযোগস্থল এবং সহজলভ্য মৌলসমৃদ্ধ পৃষ্ঠতলের সমন্বয়ে CONNECT-এর গবেষণা এই ভিত্তিগুলো গড়ে তুলছে।

দ্বিমাত্রিক উপাদান ও হেটারোস্ট্রাকচার

গ্রাফিনের মতো কার্বন পাত থেকে শুরু করে ট্রানজিশন মেটাল ডাইক্যালকোজেনাইড পর্যন্ত দ্বিমাত্রিক উপাদান চার্জ চলাচলের অতি-পাতলা পথ তৈরি করে। একটি 2D পাতের ওপর আরেকটি পাত স্তরে স্তরে সাজালে বিস্তৃত সংযোগস্থল তৈরি হয়, যেখানে ইলেকট্রন ও হোল কার্যকরভাবে আলাদা হয়। পানি ভাঙা বা CO2 বিজারণের উপযোগী ব্যান্ড শক্তির সমন্বয় রয়েছে, এমন উপাদানের জোড়া বেছে নিয়ে এই 2D-র ওপর-2D হেটারোস্ট্রাকচার দুর্লভ মৌলের ওপর নির্ভর না করেই দক্ষতা বাড়ায়।

Z-স্কিম ও S-স্কিমে চার্জের প্রবাহ

উচ্চ-শক্তির চার্জ তৈরি করতে প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণে আলোর দুটি ধাপ ব্যবহৃত হয়, যা প্রায়ই Z-আকৃতিতে দেখানো হয়। Z-স্কিম ও S-স্কিম নকশার মাধ্যমে কৃত্রিম যন্ত্রেও একই যুক্তি অনুসরণ করা হয়। দুটি আলো শোষণকারী উপাদান এমনভাবে সংযুক্ত থাকে, যাতে কেবল সবচেয়ে শক্তিশালী বিজারক ইলেকট্রন ও জারক হোল টিকে থাকে এবং দুর্বল চার্জবাহকগুলো পরস্পরকে নিষ্ক্রিয় করে। সবচেয়ে সক্রিয় চার্জ ধরে রাখলে কঠিন বিক্রিয়াগুলো উন্নত হয় এবং পার্শ্ববিক্রিয়া কমাতে সহায়তা করে।

ধাতব কার্বাইড ও MXene উপাদান

MXene-সহ ট্রানজিশন মেটাল কার্বাইডের উচ্চ পরিবাহিতা রয়েছে এবং তাদের পৃষ্ঠতলও নানা উপায়ে পরিবর্তন করা যায়। এগুলো আলো শোষণকারী উপাদান বা সহ-অনুঘটক হিসেবে কাজ করতে পারে। সহ-অনুঘটক হলো পৃষ্ঠের এমন সহায়ক উপাদান, যা গুরুত্বপূর্ণ ধাপগুলো ত্বরান্বিত করে এবং বিক্রিয়ার বাছাইক্ষমতা নিয়ন্ত্রণ করে। স্তরযুক্ত পূর্বসূরি পদার্থকে এচিং করে পরিবাহী পাত তৈরির মাধ্যমে MXene উৎপাদন করা হয়। সংশ্লেষণ পদ্ধতিতে নির্ধারিত তাদের পৃষ্ঠের গ্রুপগুলো অণু শোষণ ও চার্জ চলাচলের সক্ষমতাকে প্রভাবিত করে; সৌর জ্বালানি স্থিতিশীল ও দক্ষভাবে উৎপাদনে এটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

আলো ও উন্নত রসায়নে বর্জ্য থেকে সম্পদ

প্লাস্টিক যেমন জীবনকে সুবিধাজনক করেছে, তেমনি বর্জ্য ব্যবস্থাপনায় চ্যালেঞ্জও তৈরি করেছে। লক্ষ্যভিত্তিক রসায়নের মাধ্যমে ফটো ও ইলেকট্রোক্যাটালিটিক আপসাইক্লিং এই সমস্যার মোকাবিলা করে। আলো বা নবায়নযোগ্য বিদ্যুতের সাহায্যে অনুঘটক দীর্ঘ পলিমার শৃঙ্খল ভেঙে ফর্মেট, অ্যাসিটেট, অ্যালকোহল বা হাইড্রোজেনের মতো দরকারি অণুতে রূপান্তর করতে পারে। CONNECT কৃষিজ বর্জ্যেও এই পদ্ধতি প্রয়োগ করছে। মালয়েশিয়ার পাম তেল খাত থেকে কার্বনসমৃদ্ধ বর্জ্য তৈরি হয়, যা উন্নত করে গ্রাফিন ও সবুজ হাইড্রোজেনে রূপান্তর করা যায়। দলটি বায়োমিথেন থেকে গ্রাফিন ও হাইড্রোজেন উৎপাদন-সম্পর্কিত একটি পেটেন্টের কথা জানিয়েছে। এতে দেখা যায়, বর্জ্যপ্রবাহ কীভাবে উপাদান ও জ্বালানি তৈরির কাঁচামালে পরিণত হতে পারে।

পানি থেকে হাইড্রোজেন: গবেষণাগারের টেবিল থেকে মাঠপর্যায়ে

সূর্যালোকের সাহায্যে হাইড্রোজেন উৎপাদনের ধারণা সহজ মনে হলেও, বাইরে তা কার্যকরভাবে চালানো কঠিন। একটি যন্ত্রকে কার্যকরভাবে আলো সংগ্রহ, পানি ভাঙা, হাইড্রোজেন ও অক্সিজেন আলাদা রাখা এবং মাসের পর মাস তাপ, বৃষ্টি ও ধুলো সহ্য করতে হয়। বাইরের পরিবেশে পরীক্ষার জন্য CONNECT একটি বড় প্রোটোটাইপ তৈরি করছে। ফটোক্যাটালাইসিস ও ফটোইলেকট্রোকেমিস্ট্রির সমন্বয়ে তৈরি সূর্যালোক থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদনের একটি কার্যকর ইউনিট ২০২৬ সালের মাঝামাঝি নাগাদ প্রস্তুত করার লক্ষ্য রয়েছে।

প্রযুক্তির বিস্তারে সাধারণত দুটি বিষয় সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ। সৌর-থেকে-হাইড্রোজেন দক্ষতা দিয়ে পরিমাপ করা কার্যকারিতা বাড়াতে হবে, একই সঙ্গে উপকরণের দামও সাশ্রয়ী রাখতে হবে। অনেক বিশেষজ্ঞের মতে, ১০ শতাংশ দক্ষতা একটি ব্যবহারিক সীমা, যদিও স্থানভেদে খরচ বদলায়। অন্য পরীক্ষা হলো স্থায়িত্ব। অক্সিজেন ও তীব্র আলোতে অনুঘটকের অবক্ষয় হতে পারে। সমুদ্রের পানিতে থাকা ক্লোরাইড ক্ষয় এবং ক্লোরিন তৈরির কারণ হতে পারে। সুরক্ষামূলক স্তর, বাছাইক্ষম ঝিল্লি এবং শুধু হাইড্রোজেন ও অক্সিজেন উৎপাদনকে উৎসাহিত করে এমন বিক্রিয়া-পরিস্থিতি দিয়ে গবেষকদল এসব সমস্যার সমাধান করছে।

মালয়েশিয়া ও অঞ্চলের জন্য কেন এটি গুরুত্বপূর্ণ

মালয়েশিয়ার লক্ষ্য ২০৫০ সালের মধ্যে নিট-শূন্য নির্গমন অর্জন করা, যার জন্য নতুন পরিচ্ছন্ন জ্বালানি এবং কার্বনের আরও বুদ্ধিদীপ্ত ব্যবহার প্রয়োজন। কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ দেশের কয়েকটি অগ্রাধিকারের সঙ্গে সম্পর্কিত। হাইড্রোজেন নবায়নযোগ্য জ্বালানির বিকল্প জোগাতে এবং শিল্পের নির্গমন কমাতে পারে। ফ্লেয়ারিং বা শিল্পপ্রক্রিয়া থেকে আসা CO2-কে কাঁচামালে রূপান্তর করলে বর্জ্য মূল্যবান সম্পদে পরিণত হয়। প্লাস্টিক ও জৈববর্জ্যের উন্নত ব্যবহার ল্যান্ডফিলের ওপর চাপ এবং আমদানি করা জীবাশ্ম জ্বালানির ওপর নির্ভরতা কমায়। গ্রিড সম্প্রসারণ যেখানে ধীর, এমন প্রত্যন্ত অঞ্চলের স্কুল, ক্লিনিক ও ছোট ব্যবসায় মডিউলার সৌরচালিত জ্বালানি উৎপাদন ইউনিট সহায়তা করতে পারে।

সহযোগিতা, দক্ষ জনবল ও ডিজিটাল সরঞ্জামে অগ্রগতি ত্বরান্বিত

PETRONAS Research এবং জাতীয় প্রযুক্তি কর্মসূচির সঙ্গে অংশীদারত্বের মাধ্যমে, এবং রসায়ন, উপাদানবিজ্ঞান, প্রকৌশল ও ডেটা বিজ্ঞানের দক্ষতার সমন্বয়ে CONNECT অগ্রগতি অর্জন করছে। ঘনত্ব কার্যকরী তত্ত্ব এবং মেশিন লার্নিংয়ের সাহায্যে হাজার হাজার সম্ভাব্য অনুঘটক যাচাই করে, পরে সেগুলোর অল্প কয়েকটি গবেষণাগারে তৈরি করা হয়; এতে সময় ও খরচ বাঁচে। অধ্যাপক ওং ক্রমবর্ধমানসংখ্যক স্নাতকোত্তর ও পোস্টডক্টরাল গবেষককে দিকনির্দেশনা দেন। ‘হাইলি সাইটেড রিসার্চার’ এবং ‘বিশ্বের শীর্ষ ২ শতাংশ বিজ্ঞানী’ তালিকার মতো স্বীকৃতি তাঁর কাজের প্রভাব তুলে ধরে। তবে লক্ষ্যটি বাস্তবমুখীই রয়েছে: মালয়েশিয়ার পরিবেশে নির্ভরযোগ্যভাবে পরিচ্ছন্ন জ্বালানি তৈরি করে, এমন যন্ত্র বানানো।

যেসব চ্যালেঞ্জ এখনো রয়ে গেছে

সম্ভবত কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ ইলেকট্রোলাইজার থেকে বাড়তে থাকা সবুজ হাইড্রোজেনের বিকল্প হবে না, বরং পরিপূরক হিসেবে কাজ করবে। বড় পরিসরে ব্যবহারের পথে এখনো দক্ষতা বাড়ানো, স্থায়িত্ব উন্নত করা, সহায়ক অবকাঠামোর খরচ কমানো এবং নিরাপদ গ্যাস ব্যবস্থাপনার নকশা তৈরির মতো কাজ বাকি। CO2 রূপান্তরে প্রায়ই মিশ্র পণ্য তৈরি হয়, যেগুলো আলাদা করতে হয়। প্লাস্টিক আপসাইক্লিংয়ের জন্য পূর্বানুমানযোগ্য মানের কাঁচামাল ও বাছাইক্ষম অনুঘটক দরকার। ২০২৬ সালের প্রোটোটাইপ এবং PETRONAS প্রকল্প থেকে পাওয়া মাঠপর্যায়ের তথ্যই দেখাবে, দেশের জ্বালানি রূপান্তরে এই প্রযুক্তি কোথায় সবচেয়ে ভালোভাবে কাজে লাগতে পারে।

মূল কথা

• অধ্যাপক ড. ওং উই জুন শিয়ামেন ইউনিভার্সিটি মালয়েশিয়ার CONNECT-এর নেতৃত্ব দিচ্ছেন। কেন্দ্রটি কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ ও ন্যানোক্যাটালাইসিস নিয়ে কাজ করে।
• তাঁর দল পানি থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদন, CO2 থেকে মিথানল ও অন্যান্য পণ্য তৈরি এবং ফটো বা ইলেকট্রোক্যাটালিটিক পদ্ধতিতে প্লাস্টিক আপসাইক্লিং নিয়ে কাজ করছে।
• ২০২৪ সালের আগস্টে দেওয়া এক মিলিয়ন রিঙ্গিতের বেশি মূল্যের PETRONAS অনুদান স্থলভাগের গ্যাস টার্মিনালে ফ্লেয়ারিং থেকে নির্গত CO2-কে সৌরশক্তিচালিত পদ্ধতিতে রূপান্তরের কাজে সহায়তা করছে।
• মালয়েশিয়ায় বাইরের পরিবেশে কার্যকারিতা যাচাইয়ের জন্য সূর্যালোক থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদনের একটি প্রোটোটাইপ ২০২৬ সালের মাঝামাঝি নাগাদ প্রস্তুত করার লক্ষ্য রয়েছে।
• গবেষণায় ব্যবহৃত সরঞ্জাম ও পদ্ধতির মধ্যে রয়েছে দ্বিমাত্রিক হেটারোস্ট্রাকচার, Z-স্কিমে চার্জ প্রবাহ এবং MXene-এর মতো ধাতব কার্বাইড।
• সমুদ্রের পানি থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদনের প্রকল্পে ক্লোরাইডজনিত ক্ষয় ও বিক্রিয়ার বাছাইক্ষমতা নিয়ে কাজ করা হচ্ছে, যাতে ক্লোরিন তৈরি না হয়।
• শিল্পের সঙ্গে অংশীদারত্ব এবং ঘনত্ব কার্যকরী তত্ত্ব ও মেশিন লার্নিংয়ের ব্যবহার অনুঘটক আবিষ্কারের গতি বাড়ায়।
• এই কাজ মালয়েশিয়ার ২০৫০ সালের নিট-শূন্য লক্ষ্যের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ এবং গ্রামীণ এলাকায় জ্বালানির প্রাপ্যতা বাড়াতে পারে।