নবায়নযোগ্য বিদ্যুতের ওঠানামার মধ্যেও স্ট্যান্ডবাই ভোল্টেজে স্থিতিশীল থাকে কার্বন মনোক্সাইড ইলেক্ট্রোলাইজার

সামান্য স্ট্যান্ডবাই কারেন্টে সুরক্ষিত থাকে গুরুত্বপূর্ণ অনুঘটক

তিনবার বন্ধ করার পরই কার্যকর রাসায়নিক তৈরির ক্ষমতা হারানো একটি কপার অনুঘটক, বিরতির সময় সামান্য সুরক্ষামূলক ভোল্টেজ প্রয়োগ করায়, পরিবর্তনশীল কার্যক্রমের মধ্যেও ৭৫০ ঘণ্টার বেশি উৎপাদনক্ষম ছিল। সূর্যালোক, বাতাস ও বিদ্যুতের দামের সঙ্গে সরবরাহের ওঠানামা হলে কার্বন মনোক্সাইড ইলেক্ট্রোলাইসিসের সঙ্গে বিদ্যুৎ সরবরাহের সামঞ্জস্য আনার একটি ব্যবহারিক উপায় দেখিয়েছে এ আবিষ্কার।

৮ জুলাই ২০২৬-এ নেচার ক্যাটালিসিস সাময়িকীতে প্রকাশিত গবেষণায় ইলেক্ট্রোলাইজার উৎপাদন শুরুর অপেক্ষায় থাকার সময় কপারকে সুরক্ষিত রাখার একটি পরিচালন কৌশল তুলে ধরা হয়েছে। অর্থনৈতিক বিশ্লেষণে অনুমান করা হয়েছে, বিদ্যুতের দাম কম থাকার সময় উৎপাদন সরিয়ে নিলে অ্যাসিটিক অ্যাসিড তৈরির খরচ ২৬ শতাংশ পর্যন্ত কমতে পারে।

পোহাং ইউনিভার্সিটি অব সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজি, সংক্ষেপে পোস্টেক, ২২ অক্টোবর এ গবেষণার কথা জানায়। আন্তর্জাতিক দলটিতে ছিলেন পোস্টেকের ম্যাটেরিয়ালস সায়েন্স অ্যান্ড ইঞ্জিনিয়ারিং বিভাগের অধ্যাপক কওন সুন-হো, সেন্ট লুইসের ওয়াশিংটন ইউনিভার্সিটির ফেং জিয়াও, ক্যালিফোর্নিয়া ইনস্টিটিউট অব টেকনোলজির উইলিয়াম গডার্ড এবং পেকিং ইউনিভার্সিটির গবেষকেরা।

নেচার ক্যাটালিসিসে প্রকাশিত গবেষণা-র মূল আবিষ্কার হলো, উৎপাদন বিরতির সময় বৈদ্যুতিক অবস্থা কেমন থাকে, তা পুনরায় চালু করার পর যন্ত্রটি ঠিকভাবে কাজ করবে কি না নির্ধারণ করতে পারে। কপার পৃষ্ঠকে সুরক্ষিত রাখতে স্বাভাবিক রাসায়নিক উৎপাদনের তুলনায় অনেক কম বিদ্যুতের প্রয়োজন হয়েছে।

বন্ধ করলে সমস্যা কেন হয়েছিল

কার্বন মনোক্সাইড ইলেক্ট্রোলাইসিসে বিদ্যুৎ ব্যবহার করে কার্বন মনোক্সাইডকে রাসায়নিক উপাদানে রূপান্তর করা হয়। ইস্পাত কারখানার মতো স্থাপনা থেকে নির্গত গ্যাসও এর উৎস হতে পারে। উৎপাদিত পদার্থের মধ্যে রয়েছে ইথিলিন, যা প্লাস্টিক তৈরিতে ব্যবহৃত হয়, এবং অ্যাসিটিক অ্যাসিড—ভিনেগারে থাকা অ্যাসিড ও শিল্পে ব্যবহৃত রাসায়নিক কাঁচামাল।

কপার অনুঘটক ক্যাথোডে এসব বিক্রিয়া ঘটতে সহায়তা করে। ক্যাথোড হলো সেই ইলেক্ট্রোড, যেখানে কার্বন মনোক্সাইড ইলেকট্রন গ্রহণ করে। এর পৃষ্ঠে অণুর বিক্রিয়ার জন্য স্থান থাকে। এসব স্থান ঢেকে গেলে বা কপারের রাসায়নিক পরিবর্তন হলে যন্ত্রটি কাঙ্ক্ষিত পদার্থ উৎপাদন বন্ধ করতে পারে।

এ প্রক্রিয়ায় মোট উৎপাদন খরচের অর্ধেকেরও বেশি বিদ্যুতের পেছনে যায়। তাই কম দামের নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ আকর্ষণীয়। তবে সৌর ও বায়ুবিদ্যুৎ উৎপাদন দিনের আলো ও আবহাওয়ার সঙ্গে বদলে যায়। এ পরিবর্তনশীল সরবরাহ অনুসরণ করতে হলে নিরবচ্ছিন্ন পরিচালনার জন্য নকশা করা যন্ত্রপাতিকেও বিরতি সামলাতে হয়।

এ সমস্যা অনুসন্ধানে গবেষকেরা বারবার ইলেক্ট্রোলাইজার বন্ধ ও চালু করেন। মাত্র তিনটি চক্রের পর যন্ত্রটি কাঙ্ক্ষিত রাসায়নিক কাঁচামালের বদলে হাইড্রোজেন উৎপাদন করে। অন্য কাজে হাইড্রোজেন উপকারী হতে পারে, কিন্তু এখানে এর অর্থ ছিল, যন্ত্রটি যে পদার্থ তৈরির জন্য নকশা করা হয়েছে সেখান থেকে বিদ্যুৎ অন্যদিকে চলে যাচ্ছিল।

কপার ক্ষতিগ্রস্ত হওয়ার দুই ভিন্ন উপায়

ব্যর্থতার কারণ খুঁজতে দলটি একবারে একটি করে উপাদান বদলে পরীক্ষা করে। কপার অনুঘটক বদলালে কার্যক্ষমতা ফিরে আসে। এতে বিদ্যুৎ বন্ধ থাকাকালে কপারের পৃষ্ঠে কী ঘটছিল, সেদিকে নজর যায়।

রামান স্পেকট্রোস্কপি ও কম্পিউটার সিমুলেশন ক্ষতির কারণ ব্যাখ্যা করতে সাহায্য করে। রামান স্পেকট্রোস্কপিতে বিক্ষিপ্ত আলো ব্যবহার করে রাসায়নিক পদার্থ শনাক্ত করা হয়। কার্বন মনোক্সাইডের আধিক্য থাকা অবস্থায় বন্ধ করার সময় কপার পৃষ্ঠে থেকে যাওয়া উপাদান কার্বনেটের আস্তরণ তৈরি করে। এসব আস্তরণ কাঙ্ক্ষিত বিক্রিয়ার জন্য দরকারি স্থানগুলো ঢেকে দেয়।

কার্বন মনোক্সাইডের পরিবেশের বদলে আর্গন ব্যবহার করলে আরেকটি সমস্যা তৈরি হয়। গবেষণাপত্রে আর্গন পরিবেশে কপার জারিত হয়ে Cu2O বা কপার(I) অক্সাইডে পরিণত হওয়ার কথা বলা হয়েছে। সহজভাবে বললে, উৎপাদনের উপযোগী পৃষ্ঠ ধরে রাখার বদলে কপার অক্সাইডে রূপান্তরিত হয়।

অতএব, পরীক্ষায় ব্যর্থতার দুটি পথ শনাক্ত হয়: কার্বন মনোক্সাইড থাকলে কার্বনেট জমা হওয়া এবং আর্গন পরিবেশে কপার জারিত হওয়া। যন্ত্রপাতি সুরক্ষিত রাখতে বিরতির সময় কপারের বৈদ্যুতিক অবস্থা নিয়ন্ত্রণ করা দরকার ছিল; কেবল আশপাশের গ্যাস বদলালে চলত না।

সুরক্ষামূলক বিরতি যেভাবে কাজ করে

গবেষকেরা যন্ত্র পুরোপুরি বন্ধ না করে দুর্বল বৈদ্যুতিক ইনপুট চালু রাখেন। গবেষণায় সুরক্ষামূলক সেটিং হিসেবে ক্যাথোডের পটেনশিয়ালকে তার ওপেন-সার্কিট পটেনশিয়ালের চেয়ে সামান্য বেশি ঋণাত্মক রাখার কথা বলা হয়েছে। বাহ্যিক বর্তনীতে কারেন্ট প্রবাহিত না হলে যে বৈদ্যুতিক পটেনশিয়ালে পৌঁছায়, সেটিই ওপেন-সার্কিট পটেনশিয়াল।

গবেষণার সঙ্গে দেওয়া পরিচালন বিবরণে স্ট্যান্ডবাই ভোল্টেজ প্রায় ১.৮ থেকে ১.৯ ভোল্ট বলা হয়েছে; ওপেন-সার্কিট ভোল্টেজ প্রায় ১.৫ ভোল্ট। গবেষণাপত্রে ক্যাথোডের পটেনশিয়ালের বর্ণনা রয়েছে, আর ওই পরিচালন পরিসংখ্যান যন্ত্রে প্রয়োগ করা ভোল্টেজের। ব্যবহারিক প্রয়োজন হলো, বিরতির সময় কপারকে সুরক্ষামূলক বৈদ্যুতিক অবস্থায় রাখা।

এই সুরক্ষায় কার্বনেট তৈরির হার আগের তুলনায় প্রায় ১০ লাখ ভাগের এক ভাগে নেমে আসে। নিয়ন্ত্রিত বিরতি আর্গন পরীক্ষায় শনাক্ত হওয়া কপার জারণও ঠেকায়।

প্রকাশিত বিশ্লেষণে স্ট্যান্ডবাই বিদ্যুতের খরচ মোট উৎপাদন খরচের ১ শতাংশেরও কম ছিল। বিরতির সময় সামান্য চলতি খরচের বিনিময়ে কার্যকর অনুঘটকসহ আবার রাসায়নিক উৎপাদন শুরুর সুযোগ দেয় এ পদ্ধতি।

ফোনের স্ট্যান্ডবাই মোডের সঙ্গে তুলনাটি এখানে প্রাসঙ্গিক: মূল কাজ থেমে থাকলেও যন্ত্রে আংশিক বিদ্যুৎ থাকে। ইলেক্ট্রোলাইজারের ক্ষেত্রে সামান্য এই বৈদ্যুতিক ইনপুট রাসায়নিকভাবে সক্রিয় পৃষ্ঠকে সুরক্ষিত রাখে।

এক মাসের পরীক্ষায় যা দেখা গেছে

সৌরবিদ্যুৎ উৎপাদনের এক মাসের অনুকরণে দলটি প্রায় ৭৫০ ঘণ্টা ধরে স্বাভাবিক পরিচালনা ও স্ট্যান্ডবাইয়ের মধ্যে ৩১টি চক্র চালায়। গবেষণাপত্রে উল্লেখ করা হয়েছে, উল্লেখযোগ্য কর্মক্ষমতা হ্রাস ছাড়াই ৭৫০ ঘণ্টার বেশি স্থিতিশীল পরিবর্তনশীল পরিচালনা সম্ভব হয়েছে। পরিবর্তনশীল পরিচালনা বলতে বোঝায়, যন্ত্রটি একই সেটিংয়ে নিরবচ্ছিন্নভাবে না চলে সময়ের সঙ্গে পরিচালন অবস্থা বদলায়।

কাঙ্ক্ষিত পদার্থের উৎপাদনের অংশ প্রায় ৭৫ শতাংশ বজায় ছিল বলে জানানো হয়েছে। এক সপ্তাহের বিরতির পরও যন্ত্রটি আগের কর্মক্ষমতা ফিরে পায়। এতে সৌরবিদ্যুতের অনুকরণে করা পরীক্ষার ছোট বিরতিগুলোর পাশাপাশি দীর্ঘ বিরতিও পরীক্ষা করা হয়।

ফলাফলগুলো বাস্তব পরিচালন সমস্যাটির সমাধান দেয়: নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ উৎপাদন অনুসরণ করা কোনো কারখানাকে বারবার চালু হতে সক্ষম হতে হবে; শুধু একবার নিরবচ্ছিন্নভাবে চলার সময় ভালো কাজ করলে চলবে না। পার্থক্যটি ছিল উল্লেখযোগ্য—সাধারণভাবে বন্ধ করার তিনটি চক্রেই ব্যর্থতা থেকে সুরক্ষিত ৩১টি চক্রে টানা কার্যক্রম।

পরীক্ষাগুলোতে কার্বন মনোক্সাইড ইলেক্ট্রোলাইজার ও এর কপার অনুঘটকের ওপর নজর দেওয়া হয়। বাণিজ্যিকভাবে এ পদ্ধতি প্রয়োগ করতে হলে স্বাভাবিক উৎপাদন বন্ধ থাকলেই ওই সুরক্ষামূলক অবস্থা বজায় রাখতে হবে। বাণিজ্যিক ব্যবহারের জন্য কোনো সময়সীমা জানাননি গবেষকেরা।

খরচের পরিসংখ্যান আসলে যা দেখায়

কম দামের সময়ে উৎপাদন সরিয়ে নেওয়া সম্ভব কি না দেখতে অর্থনৈতিক বিশ্লেষণে দক্ষিণ অস্ট্রেলিয়ার বিদ্যুতের দাম ব্যবহার করা হয়। অঞ্চলটি ৭০ শতাংশের বেশি বিদ্যুৎ নবায়নযোগ্য উৎস থেকে পায় বলে বর্ণনা করা হয়েছে। পরিবর্তনশীল বিদ্যুৎ সরবরাহ ও দামের সঙ্গে খাপ খাওয়াতে পারে এমন প্রক্রিয়া পরীক্ষা করার জন্য এটি প্রাসঙ্গিক স্থান।

গবেষকেরা জানান, অ্যাসিটিক অ্যাসিড উৎপাদনের খরচ প্রতি কেজিতে ২.১৩ ডলার থেকে কমে ১.৬৩ ডলারে আসে। উল্লেখিত এই পরিসংখ্যানে প্রতি কেজিতে ০.৫০ ডলার বা প্রায় ২৩.৫ শতাংশ সাশ্রয় হয়; তবে গবেষণাপত্রে মডেলভিত্তিক সর্বোচ্চ হ্রাস ২৬ শতাংশ বলা হয়েছে। তাই সর্বোচ্চ সাশ্রয়ের হার ও দেখানো দামের জোড়া সম্ভাব্য সাশ্রয়ের ভিন্ন ভিন্ন সংখ্যাগত হিসাব তুলে ধরে।

২৬ শতাংশের পরিসংখ্যানটি মডেল অনুযায়ী অ্যাসিটিক অ্যাসিড উৎপাদন খরচের ক্ষেত্রে প্রযোজ্য। এর পেছনে রয়েছে অর্থনৈতিকভাবে সময় নির্ধারণের কৌশল: বিদ্যুতের দাম কম থাকলে রাসায়নিক তৈরি করা, আর বিরতির সময় সুরক্ষামূলক স্ট্যান্ডবাই সেটিং ব্যবহার করা।

উল্লেখিত দাম অনুযায়ী ১,০০০ কেজি উৎপাদনে বেশি খরচের ক্ষেত্রে লাগবে ২,১৩০ ডলার এবং কম খরচের ক্ষেত্রে ১,৬৩০ ডলার; পার্থক্য ৫০০ ডলার। এ হিসাব দেখায়, উৎপাদন ব্যয়ের অর্ধেকেরও বেশি বিদ্যুৎ হওয়ায় স্ট্যান্ডবাইয়ের সামান্য খরচও কেন লাভজনক হতে পারে।

আবহাওয়ার মতো বিদ্যুতের দামও কেন গুরুত্বপূর্ণ

১০টি দেশে বিদ্যুতের খরচ তুলনা করে দলটি দেখেছে, সময়ভেদে দামে বেশি ওঠানামা হলে সম্ভাব্য সাশ্রয়ও বেশি হয়। দামি সময় এড়িয়ে কম দামের সময়ে উৎপাদন কেন্দ্রীভূত করতে পারলে নমনীয় ইলেক্ট্রোলাইজারের অর্থ সাশ্রয়ের সুযোগ বাড়ে।

দক্ষিণ অস্ট্রেলিয়ার হিসাব গবেষণার দুটি দিককে যুক্ত করে। অনুঘটকের সুরক্ষা বারবার বিরতি নেওয়া সম্ভব করে, আর বিদ্যুতের পরিবর্তনশীল দাম পরিচালনাকারীকে বিরতি নেওয়ার আর্থিক কারণ দেয়। প্রস্তাবিত পরিচালন কৌশল থেকে মডেল অনুযায়ী সুফল পেতে দুটিই দরকার।

স্ট্যান্ডবাইয়ে ব্যবহৃত সামান্য বিদ্যুতের খরচ উৎপাদককে দিতে হবে। যথেষ্ট পরিমাণ দামি সময়ে উৎপাদন এড়িয়ে ওই খরচ পুষিয়ে নিলেই সুফল আসে। বিদ্যুতের দামে কম পরিবর্তন হলে একই সময়সূচি কৌশলে সাশ্রয়ের সুযোগও কম থাকে।

অতএব, নমনীয়ভাবে পরিচালনার মূল্য স্থানীয় বিদ্যুৎবাজারের সঙ্গে যুক্ত। বিশ্লেষণে ব্যবহৃত দাম ও পরিচালন-সংক্রান্ত অনুমানের ভিত্তিতেই সর্বোচ্চ সাশ্রয়ের হিসাব এসেছে। ১০টি দেশের তুলনায় দেখা যায়, স্থানভেদে সাশ্রয়ের পরিমাণ কেন বদলে যায়।

অনুঘটকের নকশা নয়, পরিচালনায় পরিবর্তন

গবেষণায় যুক্ত পোস্টেকের ম্যাটেরিয়ালস সায়েন্সের অধ্যাপক কওন সুন-হো বলেন, বন্ধ করার সময় কী পরিবর্তন ঘটে তা শনাক্ত করায় ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণের মাধ্যমে অনুঘটককে সুরক্ষিত রাখা সম্ভব হয়েছে।

বিদ্যুৎ বন্ধ হলে অনুঘটকের পৃষ্ঠে পারমাণবিক স্তরে কী ঘটে, তা শনাক্ত করতে পেরে আমরা শুধু সহজ ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ ব্যবহার করেই অনুঘটককে সুরক্ষিত রাখার সমাধান খুঁজে পেয়েছি,

বিদ্যমান যন্ত্রপাতি পরিচালনার পদ্ধতি বদলে বাণিজ্যিক ব্যবহারের লক্ষ্য অর্জনের কথাও বলেন কওন।

নতুন অনুঘটক বা যন্ত্রপাতি তৈরি না করেও শুধু পরিচালন পদ্ধতি বদলে নবায়নযোগ্য শক্তিনির্ভর কার্বন রূপান্তর প্রযুক্তির বাণিজ্যিক ব্যবহার ত্বরান্বিত করা সম্ভব।

প্রস্তাবিত সুবিধাটি বাস্তব: নতুন কোনো বিকল্প অনুঘটক উপাদান তৈরি না করেই পরিচালকেরা বিরতির সময় কপার অনুঘটক সুরক্ষিত রাখতে পারবেন। এ গবেষণায় পৃষ্ঠের রসায়ন, বৈদ্যুতিক নিয়ন্ত্রণ ও বিদ্যুৎ কেনা—এই তিনটিকে এক পরিচালন কৌশলে যুক্ত করা হয়েছে।

গবেষণায় সহায়তা দিয়েছে দক্ষিণ কোরিয়ার বিজ্ঞান ও তথ্য ও যোগাযোগ প্রযুক্তি মন্ত্রণালয় এবং ন্যাশনাল রিসার্চ ফাউন্ডেশন অব কোরিয়া, গেটস ফাউন্ডেশন এবং যুক্তরাষ্ট্রের জ্বালানি বিভাগের সহায়তায় পরিচালিত লিকুইড সানলাইট অ্যালায়েন্স।

জুলাইয়ে প্রকাশনা, অক্টোবরে ঘোষণা

গবেষণাটি জুলাইয়ে অনলাইনে প্রকাশের পর সাময়িকীটির আগস্ট সংখ্যায় অন্তর্ভুক্ত হয়। পোস্টেকের গবেষণা সংগ্রহশালার নথিতে সাময়িকীটির নাম নেচার ক্যাটালিসিস, খণ্ড ৯, সংখ্যা ৮, পৃষ্ঠা ৮২৩ থেকে ৮৩৩ এবং DOI 10.1038/s41929-026-01574-z উল্লেখ রয়েছে।

• ৮ জুলাই ২০২৬: গবেষণাটি নেচার ক্যাটালিসিসে অনলাইনে প্রকাশিত হয়।
• আগস্ট ২০২৬: পোস্টেকের সংগ্রহশালার তথ্য অনুযায়ী, গবেষণাপত্রটি সাময়িকীর সংখ্যায় প্রকাশিত হয়।
• ২২ অক্টোবর ২০২৬: ওঠানামা করা নবায়নযোগ্য বিদ্যুতের সঙ্গে সম্ভাব্য ব্যবহারসহ গবেষণাটি ঘোষণা করে পোস্টেক।

এ ফলাফল রাসায়নিক উৎপাদনের এমন একটি দিকের প্রতি মনোযোগ আকর্ষণ করে, যা সহজেই উপেক্ষিত হতে পারে: যন্ত্র অপেক্ষায় থাকলে কী ঘটে। এ ক্ষেত্রে সামান্য সুরক্ষামূলক বৈদ্যুতিক ইনপুট অনুঘটককে পরবর্তী উৎপাদন পর্বের জন্য প্রস্তুত রেখেছে এবং অর্থনৈতিক বিশ্লেষণে কম খরচের পরিচালন-সময়সূচি সম্ভব করেছে।

মূল বিষয়গুলো

• সাধারণভাবে বন্ধ করার পর তিনটি চক্রেই কপার অনুঘটক কাঙ্ক্ষিত রাসায়নিক উৎপাদনের কার্যক্ষমতা হারায়।
• ক্ষতির দুটি কারণ হিসেবে কার্বনেটের আস্তরণ জমা ও কপার জারণ শনাক্ত করা হয়েছে।
• সুরক্ষামূলক স্ট্যান্ডবাই সেটিংয়ে ৩১টি উৎপাদন ও স্ট্যান্ডবাই চক্রসহ ৭৫০ ঘণ্টার বেশি স্থিতিশীল পরিচালনা সম্ভব হয়েছে।
• স্ট্যান্ডবাই বিদ্যুতের খরচ মোট উৎপাদন খরচের ১ শতাংশেরও কম ছিল।
• গবেষণায় অ্যাসিটিক অ্যাসিড উৎপাদন খরচে সর্বোচ্চ ২৬ শতাংশ সাশ্রয়ের মডেল করা হয়েছে; প্রতি কেজিতে ২.১৩ ও ১.৬৩ ডলারের উল্লেখিত দামে সাশ্রয় প্রায় ২৩.৫ শতাংশ।
• ১০টি দেশের তুলনায় দেখা গেছে, সময়ভেদে বিদ্যুতের দামে বেশি ওঠানামা হলে সাশ্রয়ও বেশি হয়।